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Brasília-DF. Processos de corte térmico e ensaios destrutivos e não destrutivos Elaboração Rafael Ignácio Gonçales Produção Equipe Técnica de Avaliação, Revisão Linguística e Editoração Sumário APRESENTAÇÃO ................................................................................................................................. 5 ORGANIZAÇÃO DO CADERNO DE ESTUDOS E PESQUISA .................................................................... 6 INTRODUÇÃO.................................................................................................................................... 8 UNIDADE I INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS DE CORTE TÉRMICO ............................................................................ 9 CAPÍTULO 1 CONCEITOS BÁSICOS .............................................................................................................. 9 CAPÍTULO 2 CORTE POR OXIGÊNIO/OXICORTE ......................................................................................... 12 CAPÍTULO 3 CORTE A PLASMA................................................................................................................... 22 CAPÍTULO 4 CORTE A LASER ...................................................................................................................... 38 UNIDADE II ENSAIOS DESTRUTIVOS ......................................................................................................................... 47 CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO, CONCEITOS BÁSICOS, TIPOS DE ENSAIOS E NORMATIZAÇÃO ........................... 47 CAPÍTULO 2 ENSAIO DE TRAÇÃO ............................................................................................................... 52 CAPÍTULO 3 ENSAIO DE DOBRAMENTO ...................................................................................................... 61 CAPÍTULO 4 ENSAIO DE DUREZA ................................................................................................................ 65 CAPÍTULO 5 ENSAIO DE IMPACTO CHARPY ................................................................................................ 67 CAPÍTULO 6 ENSAIO DE FADIGA ................................................................................................................ 70 CAPÍTULO 7 ENSAIO DE FLUÊNCIA ............................................................................................................. 73 CAPÍTULO 8 ENSAIO DE TENACIDADE À FRATURA ....................................................................................... 77 UNIDADE III ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS ................................................................................................................. 81 CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO, CONCEITOS BÁSICOS, TIPOS DE ENSAIO E NORMATIZAÇÃO ............................. 81 CAPÍTULO 2 LÍQUIDOS PENETRANTES .......................................................................................................... 86 CAPÍTULO 3 MÉTODOS MAGNÉTICOS ...................................................................................................... 101 CAPÍTULO 4 ENSAIO ULTRASSÔNICO DE MATERIAIS .................................................................................. 107 UNIDADE IV MÉTODOS ESPECIAIS DE ENSAIOS NÃO DESTRUTIVO ........................................................................... 113 CAPÍTULO 1 TIPOS DE ENSAIO E NORMATIZAÇÃO .................................................................................... 113 CAPÍTULO 2 ENSAIO BASEADO NA RESSONÂNCIA MAGNÉTICA NUCLEAR ................................................ 116 CAPÍTULO 3 ENSAIO PELA ALTERAÇÃO DE CAMPO MAGNÉTICO .............................................................. 120 CAPÍTULO 4 ENSAIO POR PERTURBAÇÃO DA CORRENTE ELÉTRICA ........................................................... 122 CAPÍTULO 5 ESTUDOS DE CASO E ARTIGOS SOBRE PROCESSOS DE CORTE TÉRMICO E ENSAIOS DESTRUTIVOS E NÃO DESTRUTIVOS ........................................................................................ 125 PARA (NÃO) FINALIZAR ................................................................................................................... 130 REFERÊNCIAS ................................................................................................................................ 131 5 Apresentação Caro aluno A proposta editorial deste Caderno de Estudos e Pesquisa reúne elementos que se entendem necessários para o desenvolvimento do estudo com segurança e qualidade. Caracteriza-se pela atualidade, dinâmica e pertinência de seu conteúdo, bem como pela interatividade e modernidade de sua estrutura formal, adequadas à metodologia da Educação a Distância – EaD. Pretende-se, com este material, levá-lo à reflexão e à compreensão da pluralidade dos conhecimentos a serem oferecidos, possibilitando-lhe ampliar conceitos específicos da área e atuar de forma competente e conscienciosa, como convém ao profissional que busca a formação continuada para vencer os desafios que a evolução científico-tecnológica impõe ao mundo contemporâneo. Elaborou-se a presente publicação com a intenção de torná-la subsídio valioso, de modo a facilitar sua caminhada na trajetória a ser percorrida tanto na vida pessoal quanto na profissional. Utilize-a como instrumento para seu sucesso na carreira. Conselho Editorial 6 Organização do Caderno de Estudos e Pesquisa Para facilitar seu estudo, os conteúdos são organizados em unidades, subdivididas em capítulos, de forma didática, objetiva e coerente. Eles serão abordados por meio de textos básicos, com questões para reflexão, entre outros recursos editoriais que visam tornar sua leitura mais agradável. Ao final, serão indicadas, também, fontes de consulta para aprofundar seus estudos com leituras e pesquisas complementares. A seguir, apresentamos uma breve descrição dos ícones utilizados na organização dos Cadernos de Estudos e Pesquisa. Provocação Textos que buscam instigar o aluno a refletir sobre determinado assunto antes mesmo de iniciar sua leitura ou após algum trecho pertinente para o autor conteudista. Para refletir Questões inseridas no decorrer do estudo a fim de que o aluno faça uma pausa e reflita sobre o conteúdo estudado ou temas que o ajudem em seu raciocínio. É importante que ele verifique seus conhecimentos, suas experiências e seus sentimentos. As reflexões são o ponto de partida para a construção de suas conclusões. Sugestão de estudo complementar Sugestões de leituras adicionais, filmes e sites para aprofundamento do estudo, discussões em fóruns ou encontros presenciais quando for o caso. Atenção Chamadas para alertar detalhes/tópicos importantes que contribuam para a síntese/conclusão do assunto abordado. 7 Saiba mais Informações complementares para elucidar a construção das sínteses/conclusões sobre o assunto abordado. Sintetizando Trecho que busca resumir informações relevantes do conteúdo, facilitando o entendimento pelo aluno sobre trechos mais complexos. Para (não) finalizar Texto integrador, ao final do módulo, que motiva o aluno a continuar a aprendizagem ou estimula ponderações complementares sobre o módulo estudado. 8 Introdução Com o aumento da competitividade industrial e com o avanço das tecnologias de corte, por meio de novos processos e equipamentos sofisticados, tornou-se possível definir com maior precisão os processos mais adequados para determinados materiais específicos. A indústria, de maneira geral, começou a investir em diversos processos, principalmente nos processos iniciais de manufatura, como os corte de chaparias, pois nessa etapa a aplicação de processos de corte pode gerar excelentes resultados para o tempo de fabricação e para a qualidade do produto final. Além disso, será estudado os ensaios mecânicos. Os ensaios mecânicos podem ser classificados em não destrutivos e destrutivos, conforme o procedimentoadotado. Os ensaios são realizados por aplicação de cargas mecânicas como a compressão, torção, tensão e cisalhamento, com a finalidade de determinar a resistência do material quando ele sofre uma carga de tensão aplicada. Desse modo, é possível determinar qual material é o mais indicado de acordo com as necessidades de um projeto, bem como verificar as ações e reações destes materiais que são inerentes nos processos de fabricação nos produtos acabados. Objetivos » Conhecer o histórico e fundamentos de corte térmico. » Conhecer e se familiarizar com diversos processos de corte térmico. » Conhecer o histórico e fundamentos de ensaios destrutivos e não destrutivos. » Conhecer e se familiarizar com diversos métodos de ensaios destrutivos e não destrutivos. » Buscar mais conhecimentos que serão despertados no decorrer dos estudos. 9 UNIDADE I INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS DE CORTE TÉRMICO CAPÍTULO 1 Conceitos básicos Um processo de corte térmico utiliza fontes de calor com o objetivo de derreter ou cortar um determinado material, dando formas customizadas aos diversos tipos de aço e metais. Em um ambiente industrial existem vários recursos para facilitar e agilizar os meios de produção. Dentre esses recursos, nos processos de corte térmico, é comum a utilização de equipamentos que apresentam movimentação por coordenadas. Estes equipamentos têm estrutura com uma mesa ou cabeçote móvel, tendo capacidade de deslocar-se de acordo com o sistema de coordenadas, sejam elas bidimensional ou tridimensional, por meio de um padrão previamente programado por computador, realizando assim diversas operações de corte de maneira customizada e ao mesmo tempo precisa. O corte térmico é classificado como um processo de conformação mecânica, que se aplica a uma determinada força externa à uma determinada matéria-prima, fazendo com que o material adquira uma forma física e/ou geométrica proveniente da deformação plástica. Geralmente os processos de corte térmico são utilizados para o corte de chapas em geral, que são submetidos à uma ação térmica que eleva a temperatura do material, por meio das fontes de calor, fazendo que o esforço de compressão se transforme em esforço de cisalhamento, causando o derretimento da superfície e, em seguida, o corte dessa chapa. Os processos de corte térmico são importantes dentro das indústrias, uma vez que mais máquinas, equipamentos e ferramentas estejam adequados às necessidades e às aplicações de uma determinada indústria, permite uma otimização não apenas nos processos de corte, mas sim uma otimização em diversas etapas do processo. Imagine que, em um determinado processo de fabricação, deseja-se usinar uma peça de aço. Se a peça for usinada de maneira bruta, sem realizar o processo de corte, se 10 UNIDADE I │ INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS DE CORTE TÉRMICO perderia muito material no processo de usinagem, aumentando o custo de fabricação e provendo mais desperdícios. Imagine que o corte de uma determinada matéria-prima fosse realizada de maneira manual, por meio de uma serra, por exemplo. O tempo de processo seria mais elevado, a precisão do corte ou suas dimensões não seriam tão asseguradas ou teriam qualidade inferior e existiria a limitação de apenas separar uma parte do aço, sem a possibilidade de cortar as peças de forma geométrica customizada ou personalizada. Um processo de corte térmico pode ser adotado dentro da indústria para diversas aplicações. Podemos citar algumas aplicações mais comuns: » corte de matéria-prima em geral; » corte de barras de aço/metal; » corte de chapas de aço/metal; » corte de “blank” para usinagem; Blank é um sólido de metal geralmente disposto em forma quadrada ou retangular, podendo ter diversos tamanhos, de acordo com a aplicação desejada. O blank é uma peça inacabada que foi extraída de uma grande chapa ou barra para, posteriormente, ser submetida à processos de transformação por máquinas ou de ferramentas de usinagem, com o objetivo de transformá- lo em peças mecânicas de diversos objetos como, por exemplo: chaves, placas, suportes em geral etc. » fabricação de furos em geral; » fabricação de arruelas; » corte para corpos de prova para ensaios destrutivos e/ou ensaios não destrutivos; » fabricação de placas em geral; » fabricação de chaves; » fabricação de chaveiros; » fabricação de diversos tipos de objetos. Os processos de corte térmico são recomendados para a fabricação de furos sem precisão dimensional, ou com tolerância dimensional alta. Para furos com tolerâncias e /ou especificações dimensionais mais precisas. Recomenda-se o 11 INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS DE CORTE TÉRMICO │ UNIDADE I uso de ferramentas específicas para tal, e não a utilização de um processo de corte térmico. Atualmente, três processos de corte térmico são destacados em seu uso nas indústrias, a saber: » corte por oxigênio/oxicorte; » corte a Plasma; » corte a Laser. Basicamente, estes processos diferenciam-se principalmente pela fonte que gera o corte, pelos materiais que podem ser cortados, pela profundidade do corte, pela velocidade do corte e pelo custo do processo em si. Nos capítulos seguintes serão detalhado cada um dos processos de corte citados acima. 12 CAPÍTULO 2 Corte por oxigênio/oxicorte Fundamentos O corte por oxigênio, ou oxicorte, é um processo classificado como erosão térmica, ou seja, o corte por oxigênio é um processo que tem como premissa o desgaste da superfície pela ação mecânica do material por meio da ação do calor proveniente do oxigênio puro com um determinado metal. O aço ou metal a ser cortado é pré-aquecido com uma chama até atingir uma temperatura que se suceda uma reação do metal com o oxigênio. Em outras palavras, podemos dizer que, o oxicorte é um processo que o corte ocorre por meio da reação química do oxigênio puro com o metal, do qual aquece o material a ser cortado até uma temperatura ideal, que então seja possível ocorrer a reação com o oxigênio. Esse fenômeno é chamado de temperatura de ignição. Após o material atingir a temperatura de ignição, o ele é exposto à um jato de oxigênio puro. Neste processo de corte, uma erosão térmica surge por meio de uma reação do gás oxigênio com o metal a alta temperatura, promovendo dessa forma o corte do material, pois ocorre uma oxidação inerente ao processo, fazendo com que essa oxidação produza uma quantidade de calor suficiente para fundir o óxido que é fora desta reação química, finalizando então dessa forma o processo de corte. Figura 1. Processo de oxicorte. Oxigênio Oxigênio + combustível Bocal de corte Chamas Marcas de corte Corte Metal de base Escória Jato de oxigênio Fonte: adaptado de Marques, 2016. A erosão térmica ocorre através de partículas por meio de calor gerado pela ignição de gases, raios laser, arco voltaico etc. 13 INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS DE CORTE TÉRMICO │ UNIDADE I Para a realização de um oxicorte, o metal é aquecido até alcançar uma temperatura chamada de “temperatura de ignição”. Em seguida, o metal submetido à um jato de oxigênio puro, que por sua vez causa uma oxidação no metal. Esse processo causa uma reação do oxigênio com o metal, produzindo uma quantidade de calor que é capaz de realizar a fundição do óxido formado, é arrastado pelo oxigênio, promovendo dessa forma a separação do material e concluindo o processo de corte. No processo de corte a oxigênio, a energia é gerada por uma mistura de gás combustível com o próprio oxigênio. Existem muitos gases carburantes, ou seja, gases que permitem a obtenção de energia mecânica, geralmente são utilizados no processo de oxicorte, tais como: butano, hidrogênio, propano e acetileno. Porém, a grande maioria desses gases apresenta capacidade térmica baixa, mesmo na mistura com o oxigênio. Os gases utilizados para o processo de oxicorte são fornecidos em cilindros, que são produzidos para uso imediato. Dos gases supracitados, o acetileno é um gás queapresenta alta potência da sua chama e também apresenta alta velocidade de inflamação. Todo metal que seja capaz de fazer reação química com o gás oxigênio e que o ponto de fusão do óxido seja inferior ao ponto de fusão do material pode ser cortado pelo processo de oxicorte. A presença de elementos químicos no metal, por sua vez, influência o nível e na fluidez do oxicorte, conforme mostra o quadro a seguir: Quadro 1. Tipos de aço liga e fluidez de corte. Aços-Liga Elementos Químicos Proporção Cortável Não Cortável Observações Manganês (Mn) 13% de Mn e 1,3% de C X Material facilmente cortável. 18% de Mn e 1,3% de C X Quantidades elevadas de manganês não permitem o corte. Silício (Si) 2,5% de Si e 0,2% de C X O corte é limpo. 3,8 de Si e 0,4% de C X O corte apresenta dificuldades. Mais de 12% de Si X Quantidades elevadas de silício não permitem o corte. Cromo (Cr) 1,5% de Cr X 14 UNIDADE I │ INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS DE CORTE TÉRMICO Aços-Liga Elementos Químicos Proporção Cortável Não Cortável Observações Níquel (Ni) 7% de Ni X Facilmente cortável. 35% de Ni e 0,3% de C X Cortável. 35% de Ni e mais de 0,3% de C X Teores maior de 0,3% de C tornam as bordas do material muito duras, tornando-o não cortável. Cobre (Cu) 0,5% de Cu X Tungstênio (W) 5% de Cr e 0,2% de Si até 8% de C e até 10% de W X Ligas com teor de W acima de 20% se tornam não cortáveis. Molibdênio (Mo) 8% de W e 1,4% de Cr 1% de C e 5,5 de Mo X O molibdênio torna o aço liga não cortável. Fósforo (P) 2% de P X O fósforo causa baixa influência em um processo de corte. Enxofre (S) 3,5% de S X O enxofre causa baixa influência em um processo de corte. Fonte: adaptado de Marques, 2016. Equipamentos O equipamento básico utilizado em um processo de corte a oxigênio é formado de cilindros de oxigênio e de acetileno e com os reguladores específicos para cada um desses gases, respectivamente. Deve-se sempre utilizar válvulas corta-chamas em um processo de oxicorte. Essas válvulas corta-chamas devem ser montadas entre os reguladores de cada gás e suas respectivas mangueiras. Porém, o que aconteceria caso as válvulas corta-chamas não sejam utilizadas no equipamento? A explicação se dá basicamente no ótimo custo benefício que as válvulas corta-chamas possuem, principalmente se comparado aos possíveis acidentes que poderiam ocorrer, como, por exemplo: queima de mangueiras dos gases; a destruição de manômetros e de mangueiras pneumáticas; explosões em cilindros de armazenamento de gases; e até risco de vida aos trabalhadores que operam o equipamento. Além da válvula corta-chamas, é recomendável a montagem de válvulas contrafluxo entre o maçarico e as mangueiras de oxigênio e acetileno. Essas válvulas garantem a retenção do gás e evitam a entrada de oxigênio na mangueira de acetileno, e vice-versa, garantindo assim a segurança no manuseio do produto, uma vez que essa válvula não 15 INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS DE CORTE TÉRMICO │ UNIDADE I detém chamas retrocedentes, tendo como característica a destruição da válvula causada pelo calor da chama. As mangueiras que são usadas para conduzir os gases no processo de oxicorte são apresentadas em cores diferentes: » Para oxigênio: mangueira preta ou verde. » Para acetileno: mangueira vermelha. Para realizar o corte dos materiais, são utilizados maçaricos, as mangueiras são acopladas. Existe uma diversidade de tipos de maçaricos de corte. Cada um deles dispões de válvulas de oxigênio e de acetileno que servem para o ajuste da chama, além de conterem um volante para ajustar a quantidade de oxigênio a ser dosada no processo de corte. Os maçaricos podem ser de dois tipos: » Maçaricos injetores: os maçaricos injetores utilizam média pressão de oxigênio e baixa pressão de gás combustível. » Maçaricos misturadores: os maçaricos misturadores utilizam a mesma pressão de oxigênio e gás combustível. No processo de oxicorte, utiliza-se os maçaricos injetores. A imagem a seguir mostra um esquema de como é o equipamento de oxicorte: Figura 2. Equipamento de oxicorte. acetileno válvula corta-chamas oxigênio válvula mangueira preta ou verde regulador regulador mangueira vermelha bico de corte válvula contrafluxo Fonte: adaptado de Marques, 2016. 16 UNIDADE I │ INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS DE CORTE TÉRMICO A principal diferença entre o processo de soldagem a gás e o corte a gás está no tipo de maçarico, este contém uma tubulação extra para a saída de velocidade rápida de oxigênio, juntamente com uma válvula de acionamento rápido. Consumíveis Os consumíveis utilizados no processo de oxicorte são os gases combustíveis e o oxigênio, os metais de adição e os fluxos de soldagem, caso sejam necessários. O quadro a seguir apresenta as principais características de combustão de alguns gases que são utilizados nas indústrias. Quadro 2. Características de combustão de gases. Gás Acetileno Gás de rua Propano Metano Composição CJ HJ HS (53 %) CH4 (25 %) CO (8 %) Diversos (14%) C3h B C H 4 Poder calorífico superior (kcal/m³) 14000 4300 24300 9410 Poder calorífico inferior (kcal/m³) 11000 3800 22300 8470 Oxigênio teoricamente necessário (m³) 2,5 0,8 a 0,9 5,0 2,0 Velocidade máxima de propagação (m/s) 13,5 7,05 3,7 3,3 Temperatura máxima da chama (ºC) 3100 2750 2800 2730 Intensidade média na ponta do maçarico (kcal/cm!.s) 10,9 3,0 2,7 2,0 Fonte: adaptado de Marques, 2016. O acetileno (C2H2) é o gás combustível mais utilizado no processo de oxicorte, devido ao conjunto de suas propriedades (quadro 2) que favorece a sua utilização no processo. O acetileno apresenta característica visual incolor, além de possuir um cheiro característico, porém é um gás que não se encontra livremente na natureza. A produção do acetileno ocorre a partir da reação da água (H2O) com o carbureto de cálcio (CaC2) por meio de reatores. O oxigênio (O) é incolor e não apresenta cheiro aparente, porém é um gás que se encontra de forma abundante na atmosfera. Mesmo assim, o oxigênio pode ser obtido pelas indústrias por três métodos: » reação química; » eletrólise da água; » liquefação do ar. 17 INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS DE CORTE TÉRMICO │ UNIDADE I Dos três métodos supracitados, a liquefação do ar é o processo mais utilizado para a obtenção do oxigênio. Na liquefação do ar, o gás carbônico é retirado fazendo com que o ar seja resfriado, expandido e torna-se líquido, passando por colunas de retificação. É neste momento que ocorre a separação dos gases do ar conforme o seu ponto de evaporação. Dessa forma, o oxigênio é obtido em alto teor de pureza. O acetileno é muito popular por ser o gás mais utilizado em processos de oxicorte, pois tem características para soldagem superior quando comparado aos outros gases. Sendo assim, os outros gases têm seu uso restrito aos materiais com união de ligas com baixo ponto de fusão, aquecimento, brasagem e operações de corte. O fluxo de solda é um material fusível que é utilizado para preparar a área na qual a solda será realizada. Ou seja, o fluxo é um material que protege contra diversos danos, como oxidações na superfície, sobrecargas de temperatura e ou pressões, que podem provocar incêndios, explosões etc. Técnica operatória Referente à técnica operatória, o oxicorte pode ser realizado de maneira manual, semiautomática ou automática. Para cortes realizados de forma manual, é comum a utilização de dispositivos para auxiliar a operação e garantir maior precisão na execução do corte. Para os cortes retos, mais comuns, são utilizados guias, que podem ter uma ou duas rodas. Já para corte circulares, é comum a utilização de um compasso para tração nas circunferências, montado no próprio maçarico. A utilização desses dispositivos são importantes pois garantem a precisão do corte. Figura 3. Equipamentos utilizados para oxicorte manual. carrinho cintel dispositivo de auxílio de corte em superfícies cilíndricas Carrinho para corte Interno do tubocarrinho para cortes curvos em superfícies irregulares Fonte: adaptado de Marques, 2016. 18 UNIDADE I │ INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS DE CORTE TÉRMICO No processo de oxicorte semiautomático, a principal ferramenta são as máquinas portáteis. Essas máquinas são de simples manuseio e movimentam-se sobre trilhos, com o objetivo de obter-se cortes retos. Em linhas gerais, são equipamentos simples, providos de motorização elétrica e com ajuste de velocidade. Figura 4. Equipamento de oxicorte semiautomático. Fonte: Trindade, 2012. Em processos de oxicorte, os mais comuns utilizados hoje em dia são os de corte automático. Para isso, existem diversas opções de mesa de corte, torna-se possível integrar diversos maçaricos de corte. O processo automático de oxicorte trabalha com microprocessadores ou com células fotoelétricas. Nesses equipamentos, todo o movimento é feito pela máquina, não havendo a necessidade de movimentos coordenados por humanos. Ou seja, as principais atividades de mão de obra humana em um processo de oxicorte se resume em preparar o material a ser cortado, fixá-lo na máquina, acender a chama, aguardar o processo de corte, retirar a peça cortada, limpar e guardar as peças produzidas e zelar pela limpeza do equipamento. Os equipamentos que trabalham com células fotoelétricas realizam sua operação semelhante a uma máquina copiadora, por um sensor que acompanha tanto a circunferência ou as linhas retas de uma peça padrão, guiando dessa forma o maçarico pela extensão de onde o material deverá ser cortado e garantindo assim a eficiência do sistema de células fotoelétricas. Em equipamentos com maior tecnologia embarcada, existem circuitos eletrônicos e microprocessadores que executam a operação automaticamente, por desenvolvimento de programas CNC (Comando Numérico Computadorizado). Os equipamentos de corte CNC apresentam um elevado custo de investimento. Porém, seu custo x benefício leva vantagem no Âmbito operacional, com significativo grau de economia no processo. A construção de programas CNC ocorre por meio de 19 INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS DE CORTE TÉRMICO │ UNIDADE I softwares específicos, pode existir uma biblioteca com programas prontos ou por meio de uma programação customizada, de acordo com a própria empresa. Essas operações permitem uma maior eficiência no aproveitamento da matéria-prima, reduzindo ao mínimo o desperdício por meio de sobremetais que sobram do processo. Os processos de corte automáticos são encontrados comumente em empresas que tem uma grande escala de produção de peças em oxicorte. A técnica operatória é muito importante para efetuar um corte preciso e de qualidade. Para assegurar a qualidade desse processo, os seguintes passos devem ser seguidos: » inserir o bico de corte, de acordo com as especificações de espessura da chapa a ser cortada; » abrir as válvulas e os cilindros, de modo a ajustar a pressão de trabalho; » utilizando um acendedor apropriado, acender a chama; Em hipótese alguma usar isqueiro para esse procedimento. » efetuar a regulagem da chama; » realizar o corte da peça, conforme especificações. Durante o processo de corte, caso ocorra retrocesso da chama, é recomendável manter a calma e não jogar ou arremessar o maçarico, seja no chão ou em outro lugar qualquer. Você terá um tempo entre 10 a 15 segundos para efetuar o fechamento das válvulas dos cilindros com segurança, evitando assim danos maiores. Após cortar a peça desejada, deve-se apagar a chama. Para isso, primeiro deve-se fechar o volante de acetileno e, em seguida, fechar o volante de oxigênio. A técnica operatória do oxicorte exige também alguns procedimentos a serem adotados com foco na segurança do operador: » durante todo o tempo de processo da operação do corte, usar óculos de proteção apropriado contra fagulhas, escórias e brilho da chama; » usar mangotes, luvas, aventais e perneiras de proteção; 20 UNIDADE I │ INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS DE CORTE TÉRMICO » certificar que toda roupa ou equipamento de proteção individual estejam livres de óleo ou graxa, e conservá-los assim. Na técnica operatória, também se recomenda procedimentos a serem adotados referente à prevenção contra incêndio: » em hipótese alguma utilize óleo ou graxa próximo aos equipamentos de oxicorte; » os cilindros e mangueiras devem estar protegidos, de modo que nenhuma fagulha ou chama possa alcançá-los; » materiais combustíveis devem ser mantidos a uma distância segura das áreas em que esteja sendo executado os processos de corte (distância mínima recomendada: 10 metros); » extintores de incêndio devem ser mantidos na área de trabalho. As condições de manuseio, data de validade, checagem do nível da carga e do tipo do extintor devem ser verificados periodicamente, além de garantir que não estão obstruídos; » a chave deve sempre ser mantida na válvula do cilindro, para que em casos de urgência possam ser fechados rapidamente; » em hipótese alguma realize testes ou verificações sobre vazamentos de gás com fogo ou chama. Para isso, é recomendável a utilização de um líquido apropriado, ou mesmo, água com sabão; » ao terminar a execução do trabalho, é importante fechar as válvulas de todos os cilindros; » após fechar as válvulas de todos os cilindros, recomenda-se inspecionar a área para verificar a existência ou não de possíveis focos de incêndio. Aplicações industriais O processo de oxicorte é um processo com diversas aplicações industriais de diversos segmentos, podendo ser utilizado em processos de fabricação de peças, como na montagem e/ou desmontagem de estruturas, peças metálicas, máquinas e equipamentos etc. Em um processo de fabricação, o oxicorte é utilizado na preparação de chanfros para a soldagem, otimizando assim o processo posterior. O oxicorte também pode ser utilizado no processo de fabricação de rodas dentadas, ferramentas em geral, engates etc. 21 INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS DE CORTE TÉRMICO │ UNIDADE I Em um processo de montagem industrial, o oxicorte é utilizado para a preparação de chapas, conformando-as em formatos adequados, de acordo com a aplicação ou com a necessidade do produto. Em um processo de desmontagem, o oxicorte é usado principalmente na separação de uniões mecânicas em geral, sejam elas por meio de soldas, pinos, rebites, parafusos e diversos outros métodos de união mecânica. 22 CAPÍTULO 3 Corte a plasma Fundamentos Os primeiros estados físicos das matérias conhecidos são os seguintes: » estado sólido; » estado líquido; » estado gasoso. Para exemplificar, de maneira simples, vamos ilustrar os três estados físicos da matéria por meio de uma substância muito conhecida: a água. Nesse caso temos: » estado sólido (gelo); » estado líquido (água); » estado gasoso (vapor). Ao dispor de um gelo e aplicar sobre ele uma energia, em forma de calor, o gelo se derrete e transforma-se em água. Ou seja, ocorre a transformação do estado sólido (gelo) para o estado líquido (água). Se continuarmos a aplicar mais calor sobre a água, vaporiza-se, transformando-se em vapor (estado gasoso). Por fim, quando a fonte de calor continua a ser aplicada sobre o vapor, os gases se ionizam, tornando os gases condutores elétricos. É nesse estágio que obtém-se o quarto estado físico da matéria: o plasma. O plasma é um gás ionizado que é a base fundamental em que todos os sistemas de plasma operem. O plasma é uma substância proveniente do agrupamento de partículas carregadas. Essas partículas contém o mesmo número de íons positivos e elétrons e apresentam elevado grau de condução de eletricidade, embora apresente quase todas as características primárias dos gases formadores de plasma. O processo de ionização dos gases resulta na criação ode elétrons livres e de íons positivos entre os átomos do gás. Quando este processo ocorre, o determinado gás torna-se um condutor elétrico com uma excelente capacidade para a condução de energia elétrica. O melhor exemplo de plasmaque se conhece é a tempestade de raios. Os gases existentes no ar são gases ionizados, e os raios são originados quando se movem à eletricidade de 23 INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS DE CORTE TÉRMICO │ UNIDADE I um determinado ponto para o outro, dando origem ao raio. Dessa mesma forma, dá-se origem à tocha de plasma que é utilizada no processo de corte térmico a plasma. O corte a plasma é um processo que tem como objetivo o corte de materiais, geralmente dispostos em matéria-prima no formato de chapas ou barras. Para obter-se o corte, utiliza-se um dispositivo com um bico que contém um orifício otimizado, com a finalidade de comprimir um gás ionizado em temperatura extremamente elevada, tornando possível o derretimento das secções de metais condutores, promovendo dessa forma a separação do material cortado do seu material original. Um gás com alto teor de condutividade elétrica (plasma) é usado para realizar a transferência da energia negativa fornecida pela fonte plasma da tocha, para que dessa forma o material seja cortado. A tocha acaba funcionando como um suporte para os consumíveis, por fornecimento de um fluído refrigerante, geralmente água ou ar comprimido. O processo de corte a plasma é um processo que proporciona uma enorme gama de aplicações com vantagens técnicas e econômicas. O corte a plasma foi desenvolvido a partir de 1955 para substituir ou otimizar outros processos de corte, como o corte por serra, por prensa, tesouras, lâminas e corte com chama adição de pós, particularmente na aplicação para corte de materiais não ferrosos e aços inoxidáveis. Já na década de 1960, o processo de corte a plasma foi inovado por meio de diversas melhorias. A melhoria mais impactante foi a adição de água entre o bico do plasma e um bocal, localizado na parte frontal, com o objetivo de elevar a vida útil dos componentes e consumíveis e, por consequência, contribuir para um grau de qualidade do corte mais elevado. Porém, foi na década de 1980 que o corte a plasma ganhou destaque e amplitude de no cenário industrial. Um avanço tecnológico da época permitiu a utilização do plasma para o corte de materiais não ferrosos, por meio da adição do oxigênio como gás de plasma no processo de corte. Com a adição do oxigênio como gás de plasma, o calor do processo passou a ser proveniente de duas fontes distintas: » do plasma; » da reação exotérmica da oxidação do ferro. 24 UNIDADE I │ INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS DE CORTE TÉRMICO Reação exotérmica é uma reação química que a energia é transferida de um meio interior para o meio exterior, provendo um aquecimento constante ao ambiente na qual a reação ocorre. Em outras palavras, no processo de reação exotérmica ocorre a liberação do calor. A adição do oxigênio como gás de plasma contribuiu também para um enorme aumento na velocidade do processo de corte, com melhoria também na qualidade do corte, aumentando os níveis de produtividade e otimizando os processos de corte e seus respectivos custos. No final da década de 1980, uma melhoria foi adicionada ao processo de corte a plasma: trata-se do bocal protetor eletricamente isolado. Sua principal função era minimizar a formação de arco duplo do plasma. Com a diminuição do arco duplo de plasma no processo de corte, aumentou-se ainda mais a vida útil dos consumíveis e dos dispositivos utilizados no processo de corte a plasma. Na década de 1990 foram desenvolvidas sequências lógicas para o processo de corte a plasma. O emprego dessas sequências lógicas contribuíram ainda mais para uma melhoria significativa na vida útil dos consumíveis, principalmente nos processos de corte no qual o oxigênio era utilizado para o gás consumível do corte a plasma. A aplicação das sequências lógicas no processo de corte a plasma permitiram a realização de ajustes e regulagens específicas para a pressão do gás, bem como a vazão dele, durante o todo o ciclo de corte. A aplicação das sequências lógicas no processo de corte a plasma também contribuíram para o aprimoramento do projeto do eletrodo, por um inserto de ráfnio de menor diâmetro que se tornava capaz a ampliação da refrigeração dos eletrodos dentro do processo de corte. Ráfnio é um material classificado como um metal semicondutor. O ráfnio é considerado uma matéria-prima rara devido as suas propriedades físicas e químicas. O ráfnio é um metal que tem muita importância dentro da engenharia de materiais semicondutores e pode ser encontrado na natureza junto ao Zircônio (Zr), devido à semelhança química entre ambos. Também na década de 1990 foi desenvolvido o plasma de alta definição, que na época foi uma enorme inovação dentro do processo de corte a plasma, aumentando de maneira extremamente elevada a qualidade de corte dos materiais, principalmente dos cortes que exigia-se cortes com formas geométricas mais complexas e elaboradas. 25 INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS DE CORTE TÉRMICO │ UNIDADE I O plasma de alta definição era aplicado na superfície de um material por meio de um orifício reduzido no bico do equipamento, além de um canal extra para a saída do excesso de gás do sistema, contribuindo para a execução de um corte sem a geração de chanfros, de ângulos elevados, de escórias e também de rebarbas. O plasma de alta definição é utilizado em processos que é desejável especificações dimensionais mais precisas e um elevado grau de qualidade dos cortes referente ao ângulo de desvio da superfície de corte. O plasma de alta definição foi criado para suprir o corte com variações mínimas no ângulo desvio, proporcionando um corte mais reto e de qualidade mais elevada. Com todo esse avanço tecnológico ao decorrer do tempo, o processo de corte a plasma tornou-se um método muito confiável e de excelente qualidade, fazendo do processo de corte a plasma um dos processos mais importantes dentro das indústrias de corte de matérias em âmbito nacional. Nos dias de hoje, o plasma tem sido aplicado para substituir processos de cortes por meio de ferramentas manuais, para processos de corte com custo operacional mais elevado e até mesmo para processos de corte mais lentos, contribuindo para o crescimento da indústria de maneira geral. O corte a plasma é um processo com excelente custo x benefício devido a sua capacidade de cortar qualquer material que seja condutor de eletricidade, com destaque e vantagem para o corte de metais não ferrosos, que por sua vez não são capazes de serem cortados pelo processo de oxicorte. O processo de corte a plasma ocorre por meio da emissão de jatos. O jato de plasma funde e expulsa o material de base de maneira muito eficiente, proporcionando um corte com excelente acabamento e com uma ótima precisão dimensional. O processo de corte a plasma pode ser realizado por equipamentos manuais ou mecanizados, geralmente com velocidades relativamente elevadas. Um processo de corte a plasma pode ser iniciado a partir de qualquer ponto de uma determinada peça, barra ou chapa e pode ser realizado em linha reta ou curva, de acordo com as especificações estabelecidas. Em outras palavras, o processo de corte a plasma ocorre por meio da liberação de calor proveniente de uma coluna de plasma, por sua vez originada de um aquecimento de gás originado por um arco elétrico. Com alta vazão rotacional, o plasma é transferido até a superfície do material cujo será cortado. O calor do plasma realiza a fundição da peça e a parte cortada é expulsa do restante do material com a ajuda do gás em alta vazão. Geralmente, o corte a plasma é indicado e utilizado para cortes de peças com espessuras entre 3 mm e 40 mm. Existem três processos de corte a plasma, sendo os dois primeiros 26 UNIDADE I │ INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS DE CORTE TÉRMICO mais comuns (processos convencionais): o primeiro é com fluxo de gás simples com proteção por água; o segundo é com duplo fluxo de gás; o terceiro é com injeção de água. Em um processo de corte a plasma com duplo fluxo de gás, é usado geralmente o nitrogêniocomo o gás de plasma. O segundo gás, chamado de gás de proteção, é escolhido em função do material a ser cortado. Dentre esses gases, a utilização mais recomendada se dá pelo quadro abaixo: Quadro 3. Tipo de material x Gás utilizado. Tipo de material Gás utilizado Aço Inoxidável Dióxido de Carbono (CO2) Alumínio Argônio com Hidrogênio (Ar-H) Aços em geral Ar comprimido Fonte: adaptado de Marques, 2016. Para o corte a plasma de aços em geral, recomenda-se somar ao uso do ar comprimido o uso de tochas e eletrodos especiais. No corte a plasma com proteção de água, o processo é semelhante ao de duplo fluxo de gás, usando a água no lugar do gás de proteção. Com essa aplicação, a aparência do corte e a vida útil do bocal apresentam melhores resultados se comparados ao processo de duplo fluxo de gás. Já no corte a plasma com injeção de água, existe um jato de água que passa pelo bocal constritor, aumentando o efeito de confinamento do plasma e, dessa forma, protegendo-o de contaminação. A parte inferior desse bocal é geralmente de material cerâmico. O corte a plasma com injeção de água permite a utilização e maiores velocidades de corte em comparação aos processos de corte a plasma convencionais. Em casos específicos, a peça pode ser submersa em água para que o processo de corte a plasma seja realizado. Geralmente, esse tipo de processo aplica-se em situações que o material a ser cortado pode sofrer variações de suas propriedades, devidas ao calor do corte. Essa técnica evita também a geração de grande quantidade de vapor metálico, diminuindo assim a contaminação do ambiente. Equipamentos Os equipamentos utilizados em um processo de corte a plasma são basicamente os seguintes: » fonte de energia; 27 INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS DE CORTE TÉRMICO │ UNIDADE I » tocha de corte; » fonte de gases e de água; » unidade controladora; » dispositivos de deslocamento de tocha (para processos de corte mecanizados). As fontes de energia utilizadas no processo de corte a plasma apresentam uma tensão entre 120 V a 400 V. Essa variação se dá de acordo com a tocha e da técnica a ser utilizada, além do tipo do material e da espessura a ser cortada. A corrente de saída varia entre 70 A a 1000 A. A variação da corrente de saída depende do material a ser cotado, a sua espessura, e da velocidade de corte. As figuras 5 e 6 mostram equipamentos para corte a plasma. Figura 5. Corte a plasma manual. Fonte: Indústria Hoje, 2013. Figura 6. Corte a plasma mecanizado. Fonte: Conecta FG, 2017. 28 UNIDADE I │ INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS DE CORTE TÉRMICO As tochas de corte apresentam um ou mais orifícios, com diferentes diâmetros, que variam de acordo com a capacidade e da técnica a ser utilizada. As tochas de corte podem ser adequadas tanto para o corte manual, quanto para o corte mecanizado, sendo geralmente as tochas para o corte mecanizado as que apresentam maior capacidade. No processo de corte a plasma, uma etapa muito importante é a abertura do arco de geração do plasma. Em equipamentos convencionais, são utilizados ignitores de alta frequência. Já em equipamentos mais modernos, a abertura do arco de geração do plasma ocorre pela pressão do ar comprimido que distancia internamente o eletrodo do bico. As figuras 7 e 8 ilustram os dois casos. Figura 7. Ignitor de alta frequência. Eletrodo fixo Centelha (alta frequência) Fonte: Marques, 2016. Figura 8. Abertura do arco por pressão de ar. Distribuidor de gás Eletrodo Bico Capa Bocal Contato Centelha Fonte: Marques, 2016. » Distribuidor de gás: é construído de material isolante; sua principal finalidade é dar sentido rotacional ao gás. 29 INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS DE CORTE TÉRMICO │ UNIDADE I » Eletrodo: é responsável por conduzir a corrente elétrica até um inserto de háfnio, que por sua vez emite os elétrons para a geração do plasma. Háfnio (Hf ) é um elemento químico que é encontrado na natureza na forma física sólida. Além de ser utilizado em eletrodos, o háfnio é utilizado também em lâmpadas, na fabricação de processadores de computadores e em reatores nucleares como barra de controle, graças a sua alta capacidade de absorção de nêutrons. Possui características brilhante, prateada e com enorme resistência à corrosão, além de ser um metal dúctil. » Bico: é um dispositivo responsável por realizar a compressão do plasma, além de servir como guia para o corte do material. » Capa: tem como função principal manter os consumíveis alinhados e realizar o isolamento da parte elétrica do bocal, evitando choques ou descargas elétricas para quem manusear o bocal para limpeza, troca de componentes, ajustes ou manutenção. » Bocal: o bocal tem como principal função realizar o direcionamento do fluxo do jato. Pelo fato de o bocal ser refrigerado e isolado eletricamente, o mesmo pode ser apoiado à chapa ou ao material cujo corte será realizado. As fontes de gás de um processo de corte a plasma são constituídas de cilindros de gás e de reguladores de pressão. Em um processo de corte a plasma com água, uma fonte de água limpa também é necessária. A unidade controladora, podendo também ser chamada de sistema de controle, é constituída de medidores e reguladores de vazão de gás, relés e temporizadores, além de meios para ajustar os parâmetros de operação da fonte. A unidade controladora também provém de dispositivos de segurança, cujo são responsáveis por interromper a operação em casos de falhas em geral, como, por exemplo, falta de gás ou falta de água para a refrigeração da tocha. Figura 9. Exemplos de unidades controladora de corte a plasma. Fonte: Adtech, 2018. 30 UNIDADE I │ INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS DE CORTE TÉRMICO Existem também diversos tipos de máquinas de corte a plasma, que podem ser divididas dentro de três categorias: » Sistema de contato de alta frequência: são adotados em máquinas de corte a plasma mais antigas e eram empregadas para o corte de chapas de metais que apresentassem condutividade elétrica. O método de corte consistia na produção de faíscas de alta frequência, iniciando-se assim o processo de corte por meio do arco elétrico. Neste tipo de equipamento, o arco elétrico mantém contato com o material que está disposto para ser cortado. Máquinas com sistema de contato de alta frequência são operadas de maneira manual, então cabe ao operador do equipamento manter o bico que produz o plasma em contato com a superfície da chapa que será cortada, assegurando assim o processo de corte. » Máquinas arco piloto: são máquinas que apresentam facilidade em cortar qualquer tipo de metal. O método consiste na criação de uma pequena bolsa de plasma disposta dentro do bocal, até que o ele faça contato com a superfície da chapa que será submetida ao corte e também durante o processo de corte do material. Sendo assim, essa pequena bolsa de plasma recebe o nome de arco piloto. O arco piloto cheio de plasma atinge temperaturas elevadas, proporcionando uma boa eficiência no corte de chapas em aço em geral, chapas de latão, chapas de alumínio etc. As máquinas arco piloto também permitem cortes em diversas formas e tamanhos, aumentando assim a sua gama de aplicação. Por ter um funcionamento simples, porém muito eficiente, as máquinas de arco piloto também podem proporcionar o corte de outros tipos de materiais como, por exemplo, chapas de vidro e de plástico. Da mesma forma que os sistemas de contato e alta frequência, as máquinas arco piloto também são controladas de forma manual, competindo ao operador da máquina assegurar o cumprimento das atividades. » Máquinas de corte por Comando Numérico Computadorizado (CNC): as máquinas de corte a plasma por Comando Numérico Computadorizado (CNC) são as máquinas mais avançadas em termos de tecnologia embarcada e também em performance, proporcionando diversos tipos de cortes em diversos tipos de materiais. As máquinas de corte por CNC são provenientes de um maçarico de plasma fixo, que é controladopelo auxílio de um computador. Este tipo de equipamento permite que os cortes sejam pré-programados, contribuindo para cortes eficientes e de altíssima qualidade, proporcionando também o corte 31 INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS DE CORTE TÉRMICO │ UNIDADE I para clientes de maneira customizada (única), aumentando a gama de possibilidades e permitindo cortes das mais diversas formas geométricas como retângulos, quadrados, circulares, estrelas, flanges, elipses, hexágonos, entre outras formas regulares e irregulares. Consumíveis Em um processo de corte a plasma, os consumíveis utilizados são os gases (que são escolhidos de acordo com o material que se deseja cortar) e os eletrodos, que podem ser de tungstênio (W) ou de cobre (Cu) com inserto de háfnio (Hf). Os eletrodos devem ser substituídos periodicamente, devido ao seu desgaste inerente ao processo de corte. Para processos de corte de aços-carbono, os melhores resultados podem ser obtidos por mistura nitrogênio-oxigênio. Como alternativa, pode-se usar o ar atmosférico e o ar comprimido. A presença do oxigênio reduz a vida útil dos eletrodos e, às vezes, a injeção de oxigênio é realizada por um bocal especial, após a passagem do gás de plasma pelo eletrodo. Se comparado os processos de corte a laser que usam misturas de gases com os processos que usam o ar atmosférico, pode notar-se que a qualidade de corte é bem semelhante. No corte de aços não ferrosos e de aço inoxidável, geralmente usa-se misturas de argônio-hidrogênio ou misturas de nitrogênio-hidrogênio. Recentemente, no corte de matérias supracitados, também se iniciou a utilização de do ar atmosférico/ar comprimido, também alcançando resultados de corte muito satisfatórios. O gás em um processo de corte térmico a plasma tem basicamente duas funções distintas: » insumo para a geração do plasma; » refrigeração dos eletrodos. O plasma é obtido por meio do superaquecimento dos gases, por meio do aquecimento por uma diferença de potencial elétrico, provocando o rompimento das moléculas e resultando na produção de elétrons e íons entre si. Dessa forma, a eficiência do processo de corte e a qualidade dele estão diretamente relacionadas à qualidade do gás utilizado como consumível. Quando o processo de corte térmico a plasma é realizado de maneira manual, a vazão do gás é uma característica crítica para o desempenho do processo, pois nos processos de corte manual são utilizados uma única fonte de suprimento de gás para a formação 32 UNIDADE I │ INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS DE CORTE TÉRMICO do plasma e para a refrigeração dos eletrodos. A vazão do gás é muito importante para assegurar a qualidade do processo de corte e também do material cortado. Caso a vazão do gás ocorra de maneira excessiva, não ocorrerá problemas na ação de refrigeração. Porém, a vazão de gás excessiva pode resultar em danos no plasma, podendo deixá-lo insuficiente para o corte. Em contrapartida, caso a vazão do gás ocorra de maneira insuficiente, a vida útil do eletrodo é reduzida de maneira drástica, resultando também na redução da qualidade do plasma gerado no processo. Existem alguns processos manuais de corte térmico a plasma que podem utilizar a combinação de mais de um gás, podendo chamá-lo de múltiplos gases. Para esses casos, a vazão de gás é menor comparada à sistemas e/ou processos que só existe um gás (gás único). Os processos que têm múltiplos gases apresentam uma tocha mais robusta e, por consequência, mais pesada. O sistema de múltiplos gases possui mecanismos dedicados para cada tipo de gás. Ou seja, o sistema de múltiplos gases torna possível o uso de gases distintos para a proteção do eletrodo e para a geração do plasma. No sistema de múltiplos gases o resfriamento dos eletrodos é realizado por meio de líquido refrigerante. O sistema de múltiplos gases apresenta como vantagem a possibilidade de selecionar o gás de plasma mais adequado para um determinado tipo de material a ser cortado, tudo isso sem afetar a capacidade de refrigeração do sistema. A seleção do gás deve atender aos requisitos do projeto, de qualidade e dos métodos estabelecidos pela engenharia de processos, bem como atender os requisitos dimensionais do material que será cortado. Historicamente, o processo de corte a plasma é um método que apresentou durante muitos anos um grau de confiabilidade inferior, quando comparado aos outros processos de corte térmico, devido ao ângulo de corte que por muitas vezes era elevado ou não se obtinha um controle sobre essa característica do processo, pelo elevado consumo de gás, de eletrodos, pela baixa vida útil dos equipamentos e pela inconsistência do processo em geral. Desde o desenvolvimento do processo do corte a plasma, esse método incorporou diversas novas tecnologias e, ainda nos dias atuais, é um dos principais processos 33 INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS DE CORTE TÉRMICO │ UNIDADE I de corte térmico utilizado nas indústrias em geral. Essa evolução tecnológica, acompanhando uma tendência global nas indústrias de forma geral, proporcionaram evoluções e melhorias nos processos de corte a plasma. Os equipamentos de corte a plasma mais modernos possuem um sistema de jato coaxial de ar. Esse sistema é responsável por realizar uma compressão ainda maior no plasma, proporcionando um corte mais rápido, com menos formação de rebarbas e com menores ângulos de corte. As máquinas de corte a laser mais modernas também são equipadas com um dispositivo chamado escudo frontal. Esse dispositivo torna capaz o apoio da tocha do plasma diretamente na peça, mesmo em correntes elétricas maiores de 100 A. Nas máquinas de corte a laser controladas por comando numérico computadorizado (CNC) também passaram por evolução ao decorrer dos anos. Nas máquinas mais modernas foram adicionadas tecnologias que contribuem para o aumento do rendimento e da qualidade do processo de corte do material, além de contribuir para o aumento da vida útil dos consumíveis e insumos do processo por meio de um controle dos gases e do sistema de refrigeração mais eficientes. O processo de corte a plasma ganhou destaque no âmbito industrial, principalmente nas indústrias de corte de metais e nas metalúrgicas em geral. Apesar do crescimento desse nicho industrial nos últimos anos, o corte a plasma teve uma enorme ampliação da sua aplicação em substituição ao oxicorte no corte de chapas com espessuras mais grossas e também na substituição do corte a laser para chapas mais finas e também de metais não ferrosos. Técnica operatória O procedimento usado para o corte a plasma consiste em ajustes dos parâmetros operacionais, abertura do arco e deslocamento da tocha ao longo da linha de corte, finalizando o processo com o desligamento do arco. Um sinal de partida é enviado para a unidade controladora da máquina de corte a plasma. De maneira simultânea ao envio do sinal de partida, a tensão de arco aberta e os gases são transmitidos à tocha, dando início ao processo de vazão. Quando a vazão é estabilizada, a alta frequência é ativada. A alta frequência pode ser vista entre o eletrodo e o bico, pela parte interior da tocha, tornando o gás ionizado quando ele passa pelo arco. 34 UNIDADE I │ INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS DE CORTE TÉRMICO O gás, que agora transformou-se em um condutor elétrico, cria um caminho para a corrente entre o eletrodo e o bico, resultando na formação do arco piloto. No momento em que o arco piloto realiza o contato com a chapa ou com o material que será cortado, ele é transferido à superfície desse determinado material, realizando a fundição do metal e contribuindo para que o gás, em alta velocidade, remova o material derretido, resultando no processo de corte. As variáveis mais importantes nos parâmetros de um processo de corte a plasma são: » Corrente (A). » Velocidade de corte (mm/s). » Fluxo de gás de plasma. » Distância entre o bocal e a peça, também chamado de “stand-off”. » Tipo de tocha. » Número, diâmetroe disposição dos orifícios. As variáveis operacionais são ajustáveis e podem ser determinadas em função do material a ser cortado, bem como sua espessura. O quadro 4 apresenta parâmetros típicos para cortes de diferentes materiais e espessuras. Quadro 4. Parâmetros de corte a plasma. Material Espessura (mm) Diâmetro do orifício Corrente (A) Velocidade de corte (mm/s) Alumínio 6 13 25 51 102 3,2 3,2 4 4 4,8 300 350 400 400 450 127 86 38 9 5 Aço Inoxidável 6 13 25 51 102 3,2 3,2 4 4,8 4,8 300 300 400 500 500 86 42 21 9 3 Aço Carbono 6 13 25 51 3,2 3,2 4 4,8 275 275 425 550 86 42 21 11 Fonte: Marques, 2016. 35 INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS DE CORTE TÉRMICO │ UNIDADE I Para processos de corte de alumínio, é comum a utilização de nitrogênio (N2) e argônio (Ar) com adição de hidrogênio (H2), com vazões de 45 a 1000 litros por minuto (l/min). É recomendável verificar as instruções do fornecedor do equipamento. Para processos de corte de aço-carbono, é comum a utilização de ar comprimido ou nitrogênio (N2) com adições de hidrogênio (H2) ou de oxigênio (O2), com vazões de 9 a 140 litros por minuto (l/min). É recomendável verificar as instruções do fornecedor do equipamento. A direção do corte é muito importante, e pode influenciar de maneira significativa no acabamento da peça cortada, podendo haver uma tendência de arredondamento na aresta superior de corte de um dos lados. Nestes casos, a orientação no sentido de corte é fundamental e deve ser observada, a fim de evitar perdas de material. A distância entre o bocal e a peça geralmente varia entre 6 e 16 mm. Menores velocidades de corte contribuem para o corte com melhor acabamento em sua superfície. A escolha dos parâmetros operacionais deve ser feita levando-se em conta as indicações do fabricante do equipamento específico que será utilizado no processo de corte. Existem também diversos modos de operação para o corte a plasma. Iremos conhecer três desses principais modos: Aplicações industriais O processo de corte a plasma pode ser utilizado na maioria dos metais. Em muitos casos, há uma vantagem no processo de corte a plasma em relação ao processo de oxicorte de aços-carbono, particularmente em cortes longos e em grande volume de peças. Já em relação ao oxicorte de aço-inoxidável realizado com pós, as vantagens são bem mais sensíveis. Na prática, o processo de corte a plasma é aplicável a aços-carbono com espessuras de até 50 mm. Em alumínio e/ou aços-inoxidáveis, o corte a plasma é aplicável em peças com espessura até 250 mm. Bons resultados também são obtidos no corte de magnésio e de cobre. 36 UNIDADE I │ INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS DE CORTE TÉRMICO Sendo assim, o corte a plasma é aplicado nos mais diversos tipos de indústrias, a saber: » indústrias metalúrgicas; » indústrias metais-mecânica; » indústrias químicas; » indústrias alimentícias; » indústria automobilística; » indústria aeronáutica; » fabricação de radiadores; » fabricação de motores e respectivas peças e componentes; » fabricação de sistemas automotivos; » fabricação de peças em geral. O processo de corte a plasma ocupa uma vasta aplicação, com vantagens técnicas e econômicas. Para cortes de chapas de até 40 mm de espessura, o processo de oxicorte é recomendado pois apresenta melhor custo benefício para esta operação devido ao seu baixo custo inicial e operacional. Para assegurar a qualidade de peças cortadas pelo processo de corte a plasma, deve-se seguir as recomendações técnicas da norma EN ISO 9013. Com o auxílio desta norma, torna-se mais fácil a definição dos limites de aceitação do processo de corte e também a definição de tolerâncias admissíveis. Os fatores mais importantes considerados em um processo de corte a plasma são o desvio angular do corte e a rugosidade da região que o plasma realizou o corte. Existem também alguns outros fatores que também podem ser considerados na avaliação da qualidade do corte como a formação de escórias e também as linhas de arraste. Um fator importante é utilizar as linhas de corte para determinar a velocidade e avanço correto do corte. Recomenda-se que as linhas de corte devem acompanhar o corte da chapa aproximadamente entre 10 e 15 graus quando as linhas de corte estão na vertical. Recomenda-se ainda a utilização de velocidade de corte mais rápida para linhas que estejam mais alinhadas e velocidade de corte mais baixa quando as linhas estiverem mais verticais. 37 INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS DE CORTE TÉRMICO │ UNIDADE I O corte a plasma é uma técnica que possibilita cortar peças de diversos tamanhos e tipos, desde perfis brutos até a diâmetros internos, de acordo com as especificações das máquinas e do tipo de bicos utilizado no corte. Apesar de ser um processo muito eficiente, o corte a plasma é um processo térmico. Portanto, cuidados e requisitos de segurança são primordiais, o corte plasma deixa resíduos sólidos provenientes da alta temperatura do plasma em processo. Recomenda-se que esses resíduos sólidos sejam bem controlados. Sendo assim, por essas razões, o operador de uma máquina ou equipamento de corte a plasma deve proteger-se de maneira adequadas contra as chamas, os resíduos, e até o próprio calor inerentes ao processo. A proteção facial também deve ser adotada, pois é uma parte do corpo humano muito sensível e requer cuidados especiais para evitar maiores complicações, incidentes e até acidentes. Recomenda-se o uso de protetores e de lentes de sombreamento, garantindo maior conforto e segurança para os olhos dos operadores. 38 CAPÍTULO 4 Corte a laser Fundamentos O nome Laser é uma sigla formada pelas letras iniciais das palavras Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, que em português quer dizer: amplificação da luz por emissão estimulada da radiação. A radiação laser ocorre quando os átomos de uma estrutura recebem energia externa, levando-os a um estado de excitação. Excitação: processo em que se transfere energia para um sistema. O laser produz um feixe de luz utilizando um veículo ativo, que pode ser um sólido (o rubi) ou um líquido (o dióxido de carbono sob pressão). Este feixe de luz produz intensa energia na forma de calor. Veículo ativo: material utilizado para converter energia elétrica em energia de radiação. Para voltar ao seu estado fundamental, a estrutura libera energia na forma de fótons. Esse processo se repete e os fótons podem, dessa maneira, ser refletidos dentro de um tubo, resultando em uma cadeia de emissão fotônica, em uma amplificação da emissão inicial. A radiação emitida nesse processo é monocromática, ou seja, os fótons têm sempre o mesmo comprimento de onda e energia. Ao serem excitados, os fótons saltam de um nível de energia mais baixo para outro nível mais alto e, ao retornarem ao estado original, a diferença de energia entre esses níveis será liberada com a emissão de um fóton, conforme evidenciado na figura 10. 39 INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS DE CORTE TÉRMICO │ UNIDADE I Figura 10. Produção de fótons laser (esquemático). Semiespelho Átomos no nível fundamental de energia Átomos excitados Espelho Fonte: Marques, 2016. A construção do primeiro aparelho a emissão de laser foi realizada por Maiman, que em 1960 criou um aparelho a laser para a área médica utilizando um rubi como meio para sua geração. O laser de rubi tem comprimento de onda eletromagnética situada na faixa de luz visível. Na área industrial, o laser tem várias aplicações, como a soldagem, a gravação e o corte, sendo esse último o processo de nosso estudo. O processo de corte a laser ocorre por meio do foco de feixe de luz de alta intensidade, concentrado sobre a superfície da peça. A incidência de um feixe de laser sobre um ponto da peça é capaz de fundir e vaporizar até o material em volta desse ponto, causando um furo que penetra profundamente no metal-base. Desse modo, é possível furar e cortarpraticamente qualquer material, independentemente de sua resistência mecânica. O corte a laser é um processo poderoso, que pode ser usado na fabricação de peças complexas. 40 UNIDADE I │ INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS DE CORTE TÉRMICO Equipamentos Os equipamentos de corte a laser não podem ser operados de maneira manual, pois o processo envolve alta concentração de energia, uma vez que o feixe deve ser muito concentrado e o corte ocorre a velocidades muito altas. O equipamento mais comum consiste em mesas móveis, com capacidade de movimentação segundo os eixos x, y e z. Os eixos x e y determinam as coordenadas de corte, enquanto o eixo z serve para corrigir a altura do ponto focal em relação à superfície da peça, pois, durante o corte, esta distância é afetada por deformações provocadas na chapa, pelo calor decorrente do próprio processo. As coordenadas de deslocamento geralmente são comandadas por um sistema Computer Aided Design (CAD) ou, em português, projeto assistido por computador), acoplado à mesa de corte. Nas máquinas de corte a laser, como a que é mostrada a seguir, o material a ser cortado normalmente encontra-se em forma de chapas, embora existam máquinas que se destinem ao corte de tubos. Figura 11. Equipamento de Corte a Laser. Fonte: Messer Cutter, 2018. Observe que a chapa é colocada sobre uma espécie de “cama de pregos”, apoiando-se em vários pontos. O cabeçote laser movimenta-se em duas direções: longitudinal e transversal. Esses movimentos são transmitidos por motores elétricos, controlados por computador. 41 INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS DE CORTE TÉRMICO │ UNIDADE I Pelo cabeçote laser flui um gás que tem por função, entre outras, remover o material fundido e óxidos da região de corte. O gás normalmente usado para esta finalidade é o oxigênio, porque ele favorece uma reação exotérmica, isto é, libera calor, aumentando ainda mais a temperatura do processo e, por consequência, a velocidade de corte. Porém, quando forem necessárias superfícies livres de óxidos, como no corte de aços inoxidáveis, o gás recomendado é o nitrogênio. As máquinas de corte a laser podem cortar chapas de aço-carbono de até 20 mm de espessura. Ao contrário do que se poderia pensar, sua capacidade de corte de chapas de alumínio, por exemplo, é bem menor: corta chapas de 6 mm, no máximo. Isso se explica pela tendência do alumínio ao empastamento e à reflexão da luz. Consumíveis Os consumíveis utilizados no processo de corte a laser, são: » bicos; » corpo do bico; » cerâmicas; » cabos; » arruelas; » conectores. Os bicos são geralmente feitos de cobre. Os bicos são importantes para aumentar a precisão na centralização do laser no cabeçote da máquina. Corpo de bicos são extensões feitas do mesmo material que o bico, geralmente utilizados quando a lente focal tem variações de distância focal (75mm, 100mm, entre outras), para poder dar a distância necessária do foco, pois é muito mais fácil desenvolver um elemento padrão que usa algumas adaptações do que produzir um específico para cada foco. Cerâmicas, são materiais muito resistentes a calor muito utilizados para conter a temperatura interna do cabeçote em algumas regiões que a temperatura é muito elevada, também são utilizados para inserção de componentes metálicos, para evitar interferência de sinais devido a alta temperatura. Cabos são por sua vez caminhos por qual os sinais elétricos passam para tráfego e transmissão de dados. 42 UNIDADE I │ INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS DE CORTE TÉRMICO Arruelas servem para vedar e/ou fixar elementos que não possam ter movimentação ou vibração dentro de um sistema. São utilizados para conectar os cabos de transmissão e tráfego de dados do sistema. Técnica operatória Os principais parâmetros em um processo de corte a laser são: » a energia do feixe; » a distância focal; » a velocidade do corte. A energia do feixe determina a capacidade do laser de interagir com o material a ser cortado e iniciar o corte. Em geral, o aumento da energia do feixe permite cortar com velocidades maiores, mantendo a qualidade de corte inalterada, ou cortar materiais de maiores espessuras. A distância focal é o ponto que existe concentração máxima de energia do feixe. No caso de chapas finas, deve ser colocado na superfície. Se as chapas forem grossas, a distância focal deve ser ajustada para regiões ligeiramente abaixo da superfície, desde que não ultrapasse 1/3 da espessura da chapa. A velocidade de corte deve ser determinada em conjunto com a potência, a pressão e vazão do gás. Valores muito elevados de velocidade tendem a produzir estrias na superfície de corte, rebarbas na parte posterior da superfície atingida pela radiação e até mesmo impossibilidade de realizar o corte. Velocidades baixas, por outro lado, produzem um aumento da zona termicamente afetada e um decréscimo na qualidade do corte. O uso de máquinas de corte a laser é recomendado quando as peças apresentarem formas complicadas e for exigido um acabamento de superfície praticamente livre de rebarbas na região de corte. Como esse processo não requer estampos de corte, é possível produzir rapidamente lotes pequenos e diversificados. Em um processo de corte a laser, é importante atentar-se aos fatores que afetam a qualidade da superfície de corte. Existem inúmeras variáveis que podem afetar a qualidade do corte a laser. A seguir, podemos conhecer algumas dessas variáveis: » Potência da radiação incidente: é uma variável que provém da densidade da energia introduzida no material que está a ser cortado. 43 INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS DE CORTE TÉRMICO │ UNIDADE I Sendo assim, a potência de corte deve ser estabelecida com parâmetros que contribuam para que a energia introduzida no material seja suficiente para realizar o corte da chapa, e nada mais. Quando uma energia em excesso é introduzida no material, é gerado a fundição de uma quantidade do material, proveniente do calor inerente ao laser, podendo assim contribuir para variações dimensionais como o aumento da largura do corte. De maneira geral, o aumento da potência da radiação resulta em cortes com velocidades maiores, mantendo a qualidade do corte inalterada, ou até mesmo proporcionar o corte de chapas que apresentam maiores espessuras. Lembrando que associar a velocidade do corte com a qualidade também deve ser ponderada de maneira muito cuidadosa, pois como a potência do feixe do laser está associada com a velocidade do corte e com a espessura do material, os parâmetros devem ser definidos de modo que a boa qualidade do corte seja assegurada. » Método de corte: pode influenciar na qualidade de um material cortado a laser. O corte a laser pode ser realizado por método pulsado ou por método contínuo. E esses métodos apresentam algumas diferenças. Os dois métodos são bem eficientes, porém o método de corte pulsado apresenta ligeira vantagem em cortes de peças com geometrias complexas e ângulos vivos. Sendo assim, utilizar o método de corte contínuo para essas características pode não ser uma boa ideia. » Polarização do feixe: a relação entre a orientação do plano da superfície e o plano de vibração dos campos elétricos e magnéticos das condas geradas pelo laser contribuem para a absorção de luz. É possível obter elevado grau de qualidade no corte a laser quando o feixe polarizado está paralelo à direção do corte. Porém, como a maioria das peças a ser cortadas apresentam formas e geometrias mais complexas, esse tipo de técnica exige que seja empregado uma polarização circular do feixe do laser, pois essa aplicação permite que se tenha as mesmas características de absorção do feixe de laser, independente da direção do corte adotada. » Ópticas de focalização: é muito popular a utilização de lentes convergentes com o objetivo de focalizar o feixe de laser em uma mancha de dimensões pequenas. Um parâmetro muito importante do conjunto óptico é a distância focal da lente. Quanto menor for a distância focal,menor é o diâmetro do feixe de laser no ponto focal e, por consequência, menor será a largura do corte. Os tipos de lentes mais utilizadas nesse tipo de processo são as lentes de distância focal de 2,5’’ para chapas com 44 UNIDADE I │ INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS DE CORTE TÉRMICO espessuras inferiores a 1 mm, lentes de distância focal de 5’’ para chapas com espessuras entre 1 e 15 mm e lentes de distância focal de 7,5’’ para espessuras superiores. » Modo, simetria e estabilidade do feixe: são três características extremamente importantes no processo de corte a laser. Para cortes em geral, é preferível a utilização do laser tipo TEM00, que permite o foco em lentes até diâmetros extremamente pequenos no ponto focal. Esse tipo de laser concentra a energia do centro do feixe do laser, evitando a queima das bordas dos materiais e também a largura de cortes grandes. Para cortes de pequenos furos ou de formas que exigem menor simetria, dimensões mais refinadas e mais estabilidade, são utilizados o laser tipo fluxo axial, pois esse tipo de laser apresenta melhor características para esses tipos de requisitos. » Posição do ponto focal: é extremamente importante e recomendável que o ponto focal deve ser mantido em uma posição que assegure o contato com a superfície da peça, obtendo assim uma maior densidade na potência do laser e, por consequência, conseguindo um corte mais eficaz e de maior qualidade. » Velocidade de corte: nem sempre um corte mais veloz significa que o corte será de qualidade elevada. Da mesma forma, nem sempre um corte mais lento garante as mesmas características de qualidade. A velocidade de corte deve ser definida com base na potência do feixe de laser e também na espessura do material a ser cortado. Velocidades de corte mais elevadas tendem a produzir características de estrias na superfície do material cortado, além de produzir rebarbas na parte superior da superfície. Existem casos que a velocidade do corte é tão grande que essas rebarbas acabam de fundindo e o processo de corte acaba sendo totalmente ineficaz. Por outro lado, as velocidades de corte mais baixas podem apresentar um decréscimo na qualidade, principalmente se aplicado a chapas de espessuras mais finas. » Gás de assistência: o gás de assistência é responsável por diversas funções dentro de um processo de corte a laser. Dentre essas características, as principais são a proteção das lentes do sistema óptico, a capacidade de expelir ou remover o material da frente do corte, resfriar as superfícies que já foram cortadas e aumentar a velocidade por meio de reações exotérmicas que acabam fornecendo energia adicional ao processo de corte a laser. 45 INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS DE CORTE TÉRMICO │ UNIDADE I Reações exotérmicas são reações químicas que existem a transferência de energia de um meio interior para um meio exterior, apresentando a característica de aquecimento ao ambiente. Em outras palavras, reações exotérmicas são processos que ocorrem a liberação de calor de um sistema, resultando então em índices de energia final dos produtos menores que a energia inicial dos reagentes. Aplicações industriais O corte a laser tem sido muito utilizado na indústria metalmecânica, em processos que se exige grande precisão dimensional em peças de baixa espessura. Em fábricas do ramo automotivo, tem-se usado o corte a laser para processos de corte de peças que exigem posicionamento e movimentações precisos sobre a série de trabalho. Além disso, o corte a laser é empregado em indústrias dos mais diversos ramos e segmentos, como, por exemplo: » corte de madeira; » corte de tecidos em geral; » corte de papel; » corte de papelão; » corte de papéis especiais (exemplo: papéis térmicos utilizados em notas fiscais e extratos bancários); » corte de plásticos; » corte de couro; » corte de peles de animais; » corte de acrílicos, » cortes para produção de troféus e medalhas; » corte de chaveiros e outros artigos promocionais; » carimbos de borracha; » modelos de arquitetura; » cortes para ajustes em impressões 3D; 46 UNIDADE I │ INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS DE CORTE TÉRMICO » corte de esponjas; » cortes de filtros; » corte de borrachas; » corte de películas e folhas em geral; » produção de laminados; » corte de embalagens e packings em geral; » corte de delrin; » produção de rótulos e displays; » corte para a construção/produção de brinquedos; » produção de peças mecânicas em geral; » placas de identificação. Em linhas gerais, o processo de corte a laser apresenta enorme custo-benefício, apesar o custo elevado dos equipamentos. 47 UNIDADE IIENSAIOS DESTRUTIVOS CAPÍTULO 1 Introdução, conceitos básicos, tipos de ensaios e normatização Ensaios são experimentos realizados com o objetivo de avaliar ou determinar as propriedades e a qualidade de um material. Dentre os ensaios, o ensaio destrutivo é o tipo de ensaio mais utilizado. A principal aplicação de um ensaio destrutivo é medir a capacidade de suportar esforço de uma peça. O ensaio destrutivo é um conjunto de técnicas que são amplamente utilizados nas indústrias em geral, com o objetivo de auxiliar na detecção de características estruturais e até de composição química de um determinado material, contribuindo para a identificação e até a prevenção de falhas e defeitos. Em outras palavras, um ensaio destrutivo provém de um conjunto de métodos e técnicas que são muito utilizados nas indústrias em geral, com o objetivo de detectar falhas, descontinuidades, avaliar características e composição química dos materiais, além de verificar suas propriedades mecânicas. Ao ensaiar de maneira destrutiva um determinado material, deve-se levar em conta que os materiais possuem falhas em sua estrutura e que as microestruturas do material podem ser heterogêneas (característica geralmente de aços carbono) ou direcionais (característica geralmente de materiais compósitos). Materiais compósitos são materiais que tem sua estrutura constituída por uma combinação de dois ou mais materiais não solúveis entre si. Um material compósito constitui da mistura de materiais compostos de natureza diferentes, com o objetivo de alcançar ou criar novas propriedades aos materiais. A realização de um ensaio destrutivo é importante dentro do desenvolvimento e do gerenciamento de projetos, pois permite que se identifique e escolha uma determinada matéria-prima ou material mais adequado para a aplicação. 48 UNIDADE II │ ENSAIOS DESTRUTIVOS E com o objetivo de se identificar as corretar propriedades de um determinado projeto, deve-se assegurar que a forma geométrica e a relação dessas formas com as microestruturas com as tensões da amostra (ou corpo de prova) sejam compatíveis com o produto final. Em outras palavras, as amostras para o ensaio destrutivo devem ter praticamente as mesmas características e requisitos do material que será aplicado dentro de um determinado projeto, a fim de tornar o ensaio mais assertivo e obter um resultado próximo à realidade do produto final. Ao realizar um ensaio destrutivo de um determinado material, é importante considerar que os materiais possuem falhas e que as microestruturas podem ser heterogêneas ou podem ser dependentes do local a ser ensaiado (aço carbono) ou direcionais (compósitos). Um processo de ensaio destrutivo é composto por ensaios mecânicos. Mesmo que um dano causado pelo ensaio destrutivo seja pequeno, os ensaios mecânicos necessitam de procedimentos em sua operação que resultam na inutilidade nas peças ou nos corpos de prova que são submetidos aos testes. A maioria dos efeitos causados por um ensaio destrutivo são marcas mecânicas que, em alguns casos, não chegam a destruir a peça por completo, porém deixa sinais de que serão pontos de concentração de tensão e estarão propensas a ser fontes de possíveis falhas, caso as peças ensaiadas sejam utilizadas. Para se ter conhecimento das propriedades de um determinado material,na maioria dos casos, só se torna possível por aplicação de ensaios que levam a destruição desses materiais. Para essa operação, utiliza-se corpos de prova do mesmo material que é utilizado nas peças construídas, segundo normas próprias. Com a finalidade de se obter as corretas propriedades ou características de um determinado material, é importante assegurar que a geometria do corpo de prova e tenha uma relação entre a microestrutura e as tensões das amostras de testes, que devem ser compatíveis e estar alinhadas com o produto final, especificações e requisitos de projetos. Os ensaios destrutivos têm como finalidade simular as condições de operação e de aplicação de uma peça ou de um componente mecânico por meio de um procedimento que torna-se possível a medição das propriedades ou das características de interesse, ou seja, aquilo que deseja-se medir de acordo com as especificações do produto, da aplicação do componente ou até mesmo do projeto. Em outras palavras, os ensaios destrutivos têm como principal objetivo simular as condições de operação e de aplicação de um componente ou de uma peça mecânica. Sendo assim, a medição das características e das propriedades do material ensaiado 49 ENSAIOS DESTRUTIVOS │ UNIDADE II é obtida diretamente, uma vez que todo o método e processo do ensaio destrutivo é estabelecido por uma norma específica padronizada. Ou seja, o método de realização do ensaio destrutivo bem como a interpretação e avaliação dos resultados não depende da interpretação do operador ou do inspetor que realiza o procedimento de teste. Os ensaios destrutivos são estabelecidos com base em normas especificas, de modo que o processo de realização do ensaio não dependa da interpretação do operador ou do inspetor que está executando a atividade. Para realizar um ensaio destrutivo geralmente segue-se as seguintes etapas: » Retirada da amostra do material: o material que será utilizado como amostra para o ensaio destrutivo pode ser obtido por corte comum, de processos de usinagem como torno e fresa, ou até mesmo por meio dos cortes térmicos, conforme estudamos na unidade anterior desta apostila. » Confecção do corpo de prova: atendendo as especificações estabelecidas, o corpo de prova deve ser construído com as dimensões e formas geométricas conforme as normas vigentes. Para a construção do corpo de prova podem ser utilizados os processos de corte normais e de corte térmico, quando as dimensões e formas geométricas são menos complexas, e também os processos de usinagem quando as formas geométricas e as dimensões requererem maior complexidade. » Execução do ensaio destrutivo: é a etapa do processo que o corpo de prova será submetido a um determinado esforço, no qual resultará no rompimento ou na deformação do material, com o objetivo de detectar e identificar suas propriedades mecânicas. Diversos parâmetros podem ser obtidos por meio de ensaios destrutivos como, por exemplo: » ductilidade; » limite de escoamento; » limite de resistência mecânica; » resistência a fadiga; » limite de tensão de ruptura. Apesar de ser um método de ensaio muito eficiente e proporcionar resultados confiáveis, o ensaio destrutivo apresenta algumas desvantagens, como: » custo elevado da confecção dos corpos de prova (matéria-prima + processos de fabricação); 50 UNIDADE II │ ENSAIOS DESTRUTIVOS » disponibilidade de máquinas envolvidas no ensaio, desde a construção do corpo de prova até as máquinas que realizam os ensaios, fator que pode acarretar em limitações na quantidade de materiais, peças ou corpos de prova a serem ensaiados. Se deseja-se realizar uma grande quantidade de ensaios de maneira simultânea, deve-se ter mais máquinas disponíveis, resultando no investimento em mais máquinas, fator que acaba elevando o custo para as indústrias e fábricas; » custo com treinamento e qualificação da mão de obra, visto que se trata de um método de trabalho específico e que exige experiência e conhecimento por parte dos operadores que realizam e/ou inspecionam os ensaios destrutivos; » o ensaio não pode ser realizado na peça que vai diretamente em uma máquina ou outra aplicação qualquer, pois, como trata-se de um ensaio destrutivo, a reutilização do material, corpo de prova ou peça torna-se impossível. Deve-se então utilizar amostras de um mesmo lote para a inspeção pelo ensaio destrutivo e utilizar esse mesmo lote para a fabricação das peças e dos componentes. Em função disso, por meio de outros métodos, recomenda-se efetuar uma comparação com as peças que serão utilizadas; » o tempo para a realização de toda a cadeia do ensaio produtivo, bem como a disponibilidade de máquinas e equipamentos são elevados, fatores que geram um acréscimo no custo de fabricação e processo, custo que em muitas das vezes não são repassados ao cliente; » por se tratar de um ensaio destrutivo e, obrigatoriamente, ter que descartar a peça ou o corpo e prova após a realização do ensaio, esse método não pode ser utilizado como método primário de controle de qualidade de produção e/ou de processo de manufatura. Na realização de um procedimento de ensaio destrutivo, recomenda-se seguir as seguintes etapas: » Preparação da amostra (corpo de prova): deve-se retirar amostras do material que se deseja ser inspecionado ou ensaiado, utilizando para isso qualquer método de fabricação como, por exemplo, máquinas de corte, fresa, tornos etc. » Confecção ou construção do corpo de prova: deve-se confeccionar os corpos de prova com as geometrias específicas e com seus dimensionais determinados por normas. Geralmente são os processos de usinagem os mais utilizados para a construção dos corpos de prova. 51 ENSAIOS DESTRUTIVOS │ UNIDADE II » Escolha do método de ensaio: deve-se escolher qual método de ensaio destrutivo será adorado, conforme os requisitos do projeto e com o alinhamento do que se deseja avaliar e/ou coletar de dados ou resultados. » Execução do ensaio: deve-se então realizar o ensaio destrutivo, com o objetivo de detectar as propriedades mecânicas por meio do rompimento ou da deformação do material submetido ao ensaio. Existem diversos tipos de ensaios destrutivos, e eles podem ser classificados conforme descrito a seguir: » ensaio de tração; » ensaio de dobramento; » ensaio de dureza; » ensaio de Impacto Charpy; » ensaio de fadiga; » ensaio de fluência; » ensaio de tenacidade à fratura. 52 CAPÍTULO 2 Ensaio de tração O ensaio de tração é um procedimento que se dá pela aplicação de uma força em uma superfície de um corpo sólido, até a sua ruptura. Essa aplicação de força provoca deformações na direção de que o esforço está sendo aplicado, produzindo pressão na área de aplicação. Quando essa força aplicada tende ao alongamento, ocorre a tensão de tração. Alongamento é o aumento do comprimento ou o prolongamento e um corpo ou de um material. A tensão de tração é a relação da força aplicada sobre determinada área da peça e a deformação encontrada ao final do ensaio. Esse fenômeno geralmente é indicado por um diagrama de tensão-deformação, conforme indicado na figura abaixo. Figura 12. Diagrama de tensão-deformação. Tensão Deformação Fonte: adaptado de Garcia, 2000. Os valores utilizados na construção do diagrama de tensão-deformação são obtidos por meio de máquinas apropriadas para tal função. Essas máquinas devem conter os seguintes dispositivos: » garras, que são utilizadas para pender a peça e/ou corpo de prova que será ensaiado; » carga, para aplicar a força necessária; » extensômetro, um instrumento que é utilizado para verificará deformação. 53 ENSAIOS DESTRUTIVOS │ UNIDADE II As máquinas de ensaio de tração mais modernas estão equipadas de um sistema de captação e processamentos de dados, tornando os ensaios muito mais completos. As máquinas de ensaio de tração também podem ser utilizadas para realizar ensaios de compressão, pois a máquina tem capacidade para realizar essefenômeno, que é uma “tração negativa”. Ensaio de tração convencional Para realizar um ensaio de tração convencional, uma barra cilíndrica ou retangular é submetida a uma carga crescente de tensão uniaxial, conforme indicado na figura a seguir. Figura 13. Corpo de prova cilíndrico e retangular. Corpo de Prova – Seção Circular Corpo de Prova – Seção Retangular Cabeça Parte útil Raio de concordância Cabeça Parte útil Raio de concordância Fonte: adaptado de Garcia, 2000. A tensão convencional (σ ) é dada por: P S σ = Onde: σ – Tensão convencional (Pa). P – Carga aplicada (N). S – Seção transversal original (m²). 54 UNIDADE II │ ENSAIOS DESTRUTIVOS Lei de Hooke A Lei de Hooke define que o aumento do comprimento de uma determinada barra é linearmente proporcional à força de tração aplicada, quando a mesma é tracionada. Em outras palavras, a Lei de Hooke é a relação direta entre a tensão e a deformação. A Lei de Hooke se dá por: σ = E x ε; onde: σ – é a tensão em Pascal; ε – é a deformação (adimensional); E – é o módulo de elasticidade. O gráfico que representa essa deformação mostra que existe uma parte que é linear e outra não. A Lei de Hooke é válida somente na parte que é linear. Módulo de elasticidade O módulo de elasticidade é uma propriedade que mostra o quanto um determinado material resiste à uma deformação elástica. Em outras palavras, o módulo de elasticidade nada mais é do que a medida de sua rigidez. Sendo assim, o módulo de elasticidade fornece a indicação de rigidez do material, sendo inversamente proporcional à temperatura. Ou seja, aumentando-se a temperatura, diminui-se o módulo de elasticidade do material, resultando em uma menor resistência à deformação elástica, ocasionando com mais facilidade deformações plásticas. Diagrama de tensão – deformação O diagrama de tensão-deformação é um gráfico que mostra duas regiões que estão relacionadas à deformação elástica ou plástica. A deformação elástica é chamada de proporcional e existe uma reação linear entre o esforço aplicado e o alongamento verificado no material. Neste caso, a deformação ocasionada pela aplicação de uma carga é temporária. Quando a força deixa de ser aplicada, o material retorna ao seu estado dimensional inicial. Nessa etapa da deformação elástica, vale a Lei de Hooke. 55 ENSAIOS DESTRUTIVOS │ UNIDADE II A deformação plástica é a etapa que a Lei de Hooke não pode ser mais aplicada, a linearidade do gráfico não é mais verificada. Nesta aplicação, a deformação causada na peça ou no corpo de prova não é mais temporária, como na deformação elástica. Ou seja, a deformação causada na deformação plástica é definitiva: quando a força deixa de ser aplicada, não há retorno das dimensões iniciais. No início deste processo, a deformação é caracteristicamente pequena e não proporcional à carga aplicada. Isso é um sinal de que o material está no regime plástico e prestes a entrar em ruptura. Após a etapa de deformação elástica, quando se continua a aplicar e aumentar a carga, o material ensaiado começa a deformar-se plasticamente: inicialmente, essa deformação se dá de forma rápida e ocorre até atingir a tensão máxima que o material pode suportar. O limite de elasticidade é o valor de carga máxima que o material pode suportar, sem apresentar deformação aparente. O valor máximo que um determinado material pode suportar, é chamado de limite de resistência à tração. O limite de resistência à tração se dá pela relação entre a carga que é aplicada na peça pela área de secção transversal no material. Nos ensaios realizados em matérias com maior flexibilidade, aços com baixo teor de carbono, ocorre um fenômeno que é chamado de escoamento. O escoamento é uma característica que define bem o início da deformação plástica. Os limites do escoamento dependem das normas que são adotadas na aplicação dos ensaios. Já nos ensaios realizados em matérias com médio teor de carbono, o fenômeno de escoamento não ocorre nitidamente. Nesses casos, o método adotado para definir os limites é o gráfico apresentado na figura 14, que evidencia a interrupção do ensaio já na fase de deformação plástica, quando o alongamento apresenta valor residual permanente. Para este tipo de material, o limite convencional n é definido pelo método gráfico, o limite n é adotado de maneira arbitrária. Geralmente, estabelece-se o valor de 0,2% de deformação, valor que corresponde a 0,002 de deformação permanente por unidade de comprimento. Sendo assim, o valor de n é definido ao traçar uma paralela ao gráfico da deformação elástica, marcando nas abcissas o valor de 0,002, conforme a figura a seguir. 56 UNIDADE II │ ENSAIOS DESTRUTIVOS Figura 14. Gráfico tensão x deformação de materiais dúcteis e frágeis. A B E 0 0,002 0,005 Deformação % Te ns ão (k gf /m m ²) Fonte: adaptado de Garcia, 2000. Em ensaios realizados em materiais com alto teor de carbono como, por exemplo, aços mola ou ligas não ferrosas de alta dureza, é adotado o valor de 0,1 % para o valor de n. Em materiais com essas características que apresentam menor flexibilidade, o valor adotado é de 0,01%. Nesses ensaios é característico uma deformação pequena do material ou corpo de prova. No ensaio de matérias de cobre e suas ligas, o valor adotado para n é de 0,5%. Nesses casos, é realizado uma medição a partir da origem, traçando uma perpendicular ao eixo das abscissas. Ter conhecimento do limite de escoamento e do limite convencional n dos materiais é de extrema importância, pois esses valores são utilizados por engenheiros para efetuar cálculos durante um determinado projeto, principalmente quando se trata de materiais mais flexíveis. No diagrama de tensão-deformação, a tensão nominal que apresenta relação à resistência à tração é definida pelo valor máximo da carga aplicada e pela área da secção transversal do corpo de prova. Em materiais mais flexíveis, essa relação não expressa o verdadeiro comportamento da tensão. Em casos em que ocorre grandes estrangulamentos ou estricção na área de ruptura do material ou do corpo de prova, o cálculo da tensão nominal é menor do que a tensão real. Isto ocorre, pois, os cálculos são determinados a partir da área inicial do corpo de prova. Nos casos que ocorrem estrangulamentos ou estricção nos ensaios, a área de secção transversal é real e, logo, menor que a inicial. 57 ENSAIOS DESTRUTIVOS │ UNIDADE II Nesses casos, é utilizado o quociente entre a carga máxima verificada no ensaio e a área da secção transversal do corpo de prova no momento desejado. O diagrama real representará a relação matemática entre a carga e área por meio de uma curva. Em casos de dimensionamentos em projetos, a curva da tensão-deformação adotada é a nominal, enquanto a curva de tensão-deformação real é utilizada em pesquisas e desenvolvimentos. “Do mesmo modo que a “tensão real” é obtida dividindo-se a carga aplicada, em qualquer estágio de sua aplicação, pela área de secção real, pode-se obter a “deformação real” ou “deformação logarítmica” que equivale, para um determinado aumento de carga, à relação da mudança comprimento devido ao incremento da carga para a grandeza do comprimento, imediatamente, antes da aplicação do incremento de carga”. (CHIAVERINI, 1986, p. 105). Nos ensaios de tração, é importante verificar o distanciamento do centro da aplicação das cargas pois, ao fixar um material ou um corpo de prova nas garras, o mesmo pode ficar desalinhado e não causar uma uniformidade nas tensões. Outro cuidado muito importante é a velocidade de aplicação da carga sobre a peça ou corpo de prova, pois caso essa velocidade seja elevada (apresenta maior rapidez no teste), o material sofre aumento da resistência mecânica e a diminuição da sua flexibilidade. Corpo de prova Recomenda-se que os ensaios de tração sejam realizados com uma parte do próprio material que será utilizado para o desenvolvimento, construçãoou produção de uma determinada peça. Para isso, são retirados pedaços diretamente das barras destes materiais, que podem ser barras redondas, quadradas ou chatas (retangulares). Para a realização de ensaios em que se deseja descobrir algumas características específicas, recomenda-se o uso de um padrão comparativo, para assegurar uma maior certeza se o resultado encontrado na medição do ensaio é o mesmo ou está próximo do valor do material padrão. Para realizar essa etapa específica, utilizamos o corpo de prova. Um corpo de prova tem formas e dimensões padronizadas e são indicados para ensaios destrutivos. Porém, o corpo de provas tem que obedecer às normas específicas. No Brasil, a ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) é adotada do método MB- 4, que indica a formas e as dimensões de um corpo de prova de acordo com o tipo de material utilizado no ensaio e a sua aplicação. 58 UNIDADE II │ ENSAIOS DESTRUTIVOS As secções transversais dos corpos de prova geralmente são de forma circular, quadrada ou chata. Na maioria dos casos, o centro do corpo de prova possui uma secção transversal menor se comparado às extremidades do corpo de prova. Essa característica contribui para gerar rupturas em uma secção em que as tensões não são afetadas pelas garras da máquina no qual o ensaio está sendo realizado. É muito comum que o corpo de prova tenha a forma da secção transversal retangular ou circular, de acordo com as dimensões do produto ou material cujo foi retirado. Geralmente, os corpos de prova são retirados de placas, chapas ou lâminas, e tendem a manter a espessura da secção transversal do material, bem como o perfil retangular. Quando o material apresenta características cilíndricas, tamanhos dimensionais grandes, ou formas irregulares, a secção transversal do corpo de prova é circular, conforme a figura a seguir. Figura 15. Corpo de prova cilíndrico e retangular. Corpo de Prova – Seção Circular Corpo de Prova – Seção Retangular Cabeça Parte útil Raio de concordância Cabeça Parte útil Raio de concordância Fonte: adaptado de Garcia, 2000. Os corpos de prova também apresentam a secção circular em produtos fundidos, cujo são obtidos por meio de um tarugo fundido na mesma proporção ao material a ser avaliado. O método utilizado para extrair as amostras do material que será submetido a ensaios é extremamente importante. A execução de um método inadequado pode influenciar nas propriedades dos produtos forjados. Recomenda-se o cuidado em verificar as direções das linhas do processo de fabricação, de modo a garantir a preservação das propriedades do produto. 59 ENSAIOS DESTRUTIVOS │ UNIDADE II Fraturas dos corpos de prova As fraturas dos corpos de prova ensaiados à tração, quando observadas a olho nu, podem ser observadas e classificadas de acordo com as seguintes características: » Dúctil ou Fibrosa: essa característica apresenta uma deformação elástica bem definida. Na fase de deformação plástica, é possível notar sinais de alongamento, fator que contribui para a percepção antecipada do momento de ruptura (conforme a figura 16), sendo de menor intensidade ou rupturas mais bem definidas (conforme a figura 17). Figura 16. Percepção antecipada do momento da ruptura. Fonte: adaptado de Garcia, 2000. Figura 17. Rupturas de menor intensidade. Fonte: adaptado de Garcia, 2000. » Frágil ou Cristalina: essa característica não apresenta sinais de deformação plástica. A ruptura acontece imediatamente após a deformação elástica e essa geralmente é pequena. 60 UNIDADE II │ ENSAIOS DESTRUTIVOS Figura 18. Tipos de ruptura por deformação elástica. Fonte: adaptado de Garcia, 2000. 61 CAPÍTULO 3 Ensaio de dobramento O ensaio de dobramento geralmente é utilizado para indicar o grau de ductilidade de um determinado material. Uma flexão do material é a causa para um efeito de tração e de compressão nas fibras superiores e inferiores, de acordo com o tipo da aplicação da força. A figura abaixo mostra a característica supracitada. Figura 19. Tensões originadas pelo ensaio de dobramento. F F F F Fonte: adaptado de Garcia, 2000. Quando essa força produz uma deformação elástica, temos a flexão. Quando a deformação for plástica, temos o dobramento. Conforme pode ser observado na figura a seguir, a região de compressão e de tração é separada por uma linha, chamada de linha neutra. As deformações causadas pelo ensaio de dobramento são proporcionais à distância da linha neutra. Figura 20. Deformação das fibras. Região comprimida Região expandida Linha Neutra Fonte: adaptado de Garcia, 2000. 62 UNIDADE II │ ENSAIOS DESTRUTIVOS O ensaio de dobramento é realizado por meio de um dobramento preliminar da peça ou do corpo de prova, conforme demonstrado na figura a seguir. Figura 21. Primeira etapa do ensaio de dobramento. Corpo de prova Fonte: adaptado de Garcia, 2000. Em seguida, o dobramento segue para o segundo estágio de dobra, chamado de estágio intermediário, conforme a figura: Figura 22. Estágio intermediário do ensaio de dobramento. Fonte: adaptado de Garcia, 2000. Após o estágio intermediário, o corpo de prova é submetido ao estágio final do dobramento, por meio do uso de um mandril, o corpo de prova é submetido a um dobramento mais proeminente, conforme a figura a seguir. 63 ENSAIOS DESTRUTIVOS │ UNIDADE II Figura 23. Estágio final do ensaio de dobramento. Mandril Fonte: adaptado de Garcia, 2000. Geralmente um ensaio de dobramento pode ser classificado em dois tipos: » Livre: nesse processo, o dobramento ocorre pela aplicação da força na extremidade dos corpos de prova. » Semiguiado: neste processo, uma das extremidades do corpo de prova é fixada e o dobramento é efetuado a partir da extremidade “solta”. A Associação Brasileira de normas Técnicas (ABNT) define o ângulo de dobramento (α) sendo a distância da rotação do corpo de prova em relação à sua posição inicial, conforme indicado na figura. Figura 24. ângulo de dobramento. Fonte: adaptado de ABNT. No momento que o ângulo do dobramento desejado é atingido, realiza-se uma inspeção visual na peça, com o objetivo de analisar se o corpo de prova sofreu trincas, fissuras ou rupturas. Caso o material apresente algumas dessas características, significa que o material não atende as condições esperadas para uma determinada aplicação. 64 UNIDADE II │ ENSAIOS DESTRUTIVOS O ensaio de dobramento é muito comum na construção civil, pois o processo de dobramento de barras de aço é muito comum para esse tipo de aplicação. O ensaio de dobramento também costuma ser aplicado em corpo de provas soldados, com o objetivo de validar processos de solda e avaliar e/ou qualificar soldadores. Em materiais mais frágeis como, por exemplo, o ferro fundido, realiza-se o ensaio de ruptura transversal, pois nesses casos a deformação é muito pequena e a ruptura acontece de forma repentina, sendo necessário pouca ou nenhuma deflexão. É possível fazer uma relação entre o limite de resistência e o módulo de ruptura, conforme a tabela 1. Tabela 1. Módulo de ruptura e limite de resistência para ferro fundido cinzento. Ferro fundido cinzento Módulo de Ruptura (kgf/mm²) Limite de resistência (kgf/mm²) 1 55,44 27,16 2 57,89 30,10 3 61,04 31,50 4 70,63 37,94 Fonte: Adaptado de Souza, 1982. O ensaio de dobramento, de forma geral, caracteriza-se por apresentar métodos simples e baixo tempo de execução, porém com um grau de precisão não muito elevado. Apesar dessas características, o ensaio de dobramento torna possível conhecer a ductilidade dos metais ensaiados e avaliar a influência de diversos tipos de tratamentos nas propriedades mecânicas desses metais. Em casos de ensaios de dobramento em materiais mais frágeis, o método torna- se mais complexo, em virtude de fatores relacionados à distância entre os apoios do corpo de prova, bem como as dimensões dele. 65 CAPÍTULO 4 Ensaio de dureza A dureza é uma propriedade física queestabelece a característica ou estado do que resiste à pressão, ao corte etc. O ensaio de dureza é usado para comparar e/ou indicar materiais. O resultado de um ensaio de dureza de materiais permite identificar a sua resistência à ruptura e a sua capacidade de deformação sob a aplicação de uma carda de compressão ou de tração, ou até mesmo de outro esforço qualquer aplicado. Em outras palavras, pode-se dizer que a dureza é a resistência à deformação permanente. O conceito de dureza não é o mesmo para todas as suas aplicações, conforme descrito: » Metalurgia: é a capacidade de resistência à deformação plástica permanente. » Mecânica: é a resistência ao desgaste ou à penetração e na usinagem a dificuldade ao corte. » Mineralogia: é a resistência ao risco que um material tem em relação ao outro. As definições de dureza estão relacionadas com a: » resistência à penetração; » resistência à ação do risco; » absorção de energia sob ação de cargas dinâmicas; » resistência ao corte; » resistência à abrasão. Na aplicação mecânica, a definição de dureza que apresenta maior interesse é a resistência a penetração. Na prática, a resistência a abrasão e a resistência ao corte são características fundamentais de um ensaio de dureza. 66 UNIDADE II │ ENSAIOS DESTRUTIVOS Na mineralogia, uma aplicação importante é a resistência ao risco, uma propriedade que é capaz de comparar as durezas dos materiais. Este conceito foi a base para a criação de uma escala padrão de minérios, ordenados de acordo com a sua capacidade de riscar e de ser riscado. O minério considerado o mais mole nessa escala é o talco e inicia a escala com valor relativo de 1. O minério considerado o mais duro é o diamante, com valor relativo de 10. O diamante é o único minério capaz de riscar a todos os outros minérios e não ser riscado por nenhum deles. O talco, ao contrário, é riscado por todos e não consegue riscar ninguém. Essa escala mineralógica é chamada de escala de Mohs. Quadro 5. Escala mineralógica de Mohs. Escala Mohs Extensão da escala Mohs Metal Equivalente No Dureza Mineral de referência No Dureza Mineral de referência 1 Talco 1 Talco 2 Gipsita 2 Gipsita 3 Calcita 3 Calcita 4 Fluorita 4 Fluorita 5 Apatita 5 Apatita 6 Feldspato (ortósio) 6 Ortósio 7 Quartzo 7 Sílica pura vidrosa 8 Topázio 8 Quartzo Stelita 9 Safira ou Corindo 9 Topázio 10 Diamante 10 Granada 11 Zirconita fundida Carboneto de tântalo 12 Alumina fundida Carboneto de tungstênio 13 Carboneto de silício 14 Carboneto de boro 15 Diamante Fonte: adaptado de Chiaverini, 1986. Como pode-se observar na tabela 6, a dureza dos materiais, em sua maioria, está localizada entre 4 e 8 na escala de Mohs. É um intervalo considerado pequeno para comparar a diversidade de dureza nesses materiais, por isso os materiais pertencentes a essa faixa de dureza não são empregados na metalurgia. 67 CAPÍTULO 5 Ensaio de impacto Charpy O ensaio de impacto Charpy é um método de experimento que consiste em submeter um corpo de prova a uma força brusca e repentina, com o objetivo de causar a ruptura do material ensaiado. Uma das principais características do ensaio de impacto Charpy é medir a velocidade de aplicação da força, ou seja, no impacto da carga contra o corpo de prova. As rupturas ou fraturas produzidas por meio do método de ensaio de impacto Charpy podem ser dúcteis, apresentando aparência fibrosa; ou frágeis, apresentando aparência cristalina. Materiais com um grau maior de fragilidade tendem a romper com mais facilidade e sem nenhuma deformação plástica, de forma brusca. Sendo assim, esses materiais não são recomendados para ser aplicados em condições que sejam necessários esforços bruscos, como bielas, eixos de máquinas etc. Para aplicações mais robustas são recomendados materiais que tenham uma maior capacidade de absorver energia e dissipá-la, para que a ruptura não aconteça com tanta facilidade. O principal objetivo do ensaio de impacto Charpy é a representação de um esforço de origem dinâmica, pois a carga aplicada é repentina e brusca. Um parâmetro muito importante no ensaio de impacto Charpy é a velocidade de aplicação da força. Velocidade associada com força resulta em energia. O método do ensaio de impacto Charpy tem como objetivo medir a quantidade de energia absorvida por um corpo de prova do material após a ação de um esforço mecânico, de valor mensurável e estabelecido, proveniente de um golpe que é lançado por um peso em oscilação por meio de um dispositivo chamado martelo pendular. O peso, em formato de pêndulo, é elevado a uma posição denominada de posição inicial, obtendo então a energia inicial para o início do experimento. Em seguida, 68 UNIDADE II │ ENSAIOS DESTRUTIVOS solta-se o pêndulo e, no final de seu percurso, há um choque com o corpo de prova e, por consequência, a ruptura do corpo de prova. Após o choque, o curso do pêndulo continua até atingir a posição final e a energia final. A figura mostra um esquema do teste de impacto Charpy por meio do martelo pendular. Figura 25. Martelo pendular de Charpy. Mostrador Posição inicial Martelo Ponteiro Posição final Corpo de prova Fonte: adaptado de Garcia, 2000. O resultado da energia absorvida pelo material é dado por meio da diferença entre a energia inicial e energia final, sendo adotado a unidade de medida joule, de acordo com o Sistema Internacional de Unidades (SI). No ensaio de impacto Charpy, a aceleração da gravidade e a massa do martelo pendular são conhecidos. A única variável desconhecida é a altura final, que logo será obtida ao final do processo de ensaio. O resultado geralmente é exibido em máquinas, mediante escalas existentes nos equipamentos, o mostrador da máquina registra a diferença entre a altura inicial e a altura final após o rompimento do corpo de prova. Os corpos de prova para ensaio de impacto Charpy devem seguir três padrões especificados, classificados em Charpy tipo A, tipo B e tipo C, são qualificados de acordo com dimensões padrão e a sua forma de entalhe. 69 ENSAIOS DESTRUTIVOS │ UNIDADE II Figura 26. Corpos de prova de impacto Charpy. Corpo de prova Charpy tipo A Corpo de prova Charpy tipo B Corpo de prova Charpy tipo C 55 10 10 10 10 10 10 8 5 5 2 1,6 45º Raio = 0,25 Fonte: adaptado de Garcia, 2000. As diferentes formas e tipos do entalhe são importantes para garantir que exista a ruptura do corpo de prova, mesmo nos materiais mais resistentes. Quando a queda do martelo pendular não provoca a ruptura do corpo de prova, o ensaio deverá ser submetido novamente com outro tipo de corpo de prova com um entalhe mais severo, aumentando assim a probabilidade de ocorrer a ruptura do material. Dos três corpos de prova Charpy apresentados, o tipo C é o que apresenta o entalhe mais severo, ou seja, a maior área de entalhe. O ensaio de impacto Charpy geralmente é realizado em temperatura ambiente, pois em condições de temperaturas mais baixas o material se torna mais propício à ruptura, sendo que em temperaturas mais altas o resultado do ensaio pode apresentar sensíveis variações. 70 CAPÍTULO 6 Ensaio de fadiga Uma fadiga ocorre no momento em que o material sofre uma falha de fratura por fadiga com uma tensão ou carga muito menor do que o limite da resistência estática do material. Geralmente uma ruptura por fadiga ocorre quando um determinado material sofre variações alternadas de carga em diversos ciclos. Em um gráfico, as representações das variações de carga em função do tempo podem ser alternadas. A figura 27 apresenta valores iguais de tração e de compressão e apresenta de forma fiel o comportamento dos movimentos das cargas, em que a tensão média tende a zero e apresenta comportamento alternado com apenas um dos dois esforços. Figura 27. Variação da tensão em função do tempo. + - Es tre ss e C om pr es sã o Te ns ão Tempo Fonte: adaptadode Garcia, 2000. Já a figura 28 representa casos que a tração e/ou compressão apresentam comportamentos aleatórios. Nesses casos, obtém-se amplitudes diferentes para a tração e compressão, visto que as variáveis apresentam valores independentes. Figura 28. Variação da tração e compressão em função do tempo. + - Es tre ss e C om pr es sã o Te ns ão Tempo Fonte: adaptado de Garcia, 2000. 71 ENSAIOS DESTRUTIVOS │ UNIDADE II O ensaio de fadiga é um experimento muito importante, pois apresentam resultados que podemos evidenciar em causas comum do dia a dia. De maneira geral, grande parte das falhas de rupturas acontecem por fadiga, e geralmente não transmite uma evidência prévia de que esse modo de falha irá ocorrer. Uma determinada máquina ou equipamento está funcionando normalmente quando, de repente, ocorre a quebra. Essas quebras ocorrem geralmente pela fadiga de alguma peça e/ou componente. O método do ensaio de fadiga ocorre por meio da submissão de um corpo de prova a cargas, geralmente com tensões alternadas, de modo a levar o material à ruptura. Por ensaio de fadiga, é possível determinar dois valores muito importantes: » limite de fadiga: nesse caso, a característica apresentada é de uma tensão abaixo da qual um determinado material suporta em um número de ciclos; » resistência à fadiga: é tensão exata na qual um material falha em um determinado número de ciclos. Os resultados obtidos de um ensaio de fadiga são apresentados de maneira gráfica. Figura 29. Resultado de um ensaio de fadiga. T en sã o (k gf /m m ²) Limite da fadiga Número de ciclos em escala logaritimica Fonte: adaptado de Garcia, 2000. O equipamento utilizado em um ensaio de fadiga é composto por um sistema de aplicação de carga e de um contador, responsável por acumular o número e ciclos que um determinado corpo de prova foi submetido. No momento que o corpo de prova é rompido, o contador encerra a contagem de ciclos automaticamente. Existem fatores que influenciam diretamente na resistência à fadiga. São eles: » composição química do material; 72 UNIDADE II │ ENSAIOS DESTRUTIVOS » condições de fabricação do material; » frequência da tensão aplicada ao material; » temperatura; » efeito das dimensões e efeito das formas (algumas formas e dimensões são propícias a receber uma maior absorção da carga); » efeito de tratamentos superficiais, caso o material tenha sido submetido a algum processo de tratamento; » efeito do atrito. Em um processo de fabricação mecânico, considerar a forma física do material é muito importante para minimizar os efeitos de fadiga. Algumas recomendações são importantes e recomendam-se que sejam seguidas na fabricação de uma peça: » evitar pontos de concentração de tensões na superfície dos materiais; » evitar danos no processo que possam causar trincas e riscos no material; » em processos de fabricação de rasgos de chaveta, se atentar na velocidade da usinagem, de modo a não comprometer o material; » introduzir tensões de compressão residuais favoráveis, por meio de processos mecânicos, térmicos ou similares; » eliminar defeitos metalúrgicos, tais como inclusões e poros; » selecionar materiais metálicos de acordo com o ciclo de tensões; » introduzir elementos de liga que reduzam a formação de saliências e reentrâncias; » desenvolver microestruturas estáveis. 73 CAPÍTULO 7 Ensaio de fluência A fluência é um fenômeno que ocorre quando um determinado material fica submetido ou exposto a um esforço contínuo por muito tempo, a uma temperatura maior que a temperatura ambiente. A deformação de fluência acontece em virtude da tensão constante em função do tempo, ou seja, a fluência tende a ocorrer quando um material é submetido a tensões por um longo período de tempo. No caso de materiais metálicos, a temperatura tem influência significativa na alteração das propriedades do material. Em outras palavras, a fluência é definida como uma deformação plástica que acontece em um determinado material quando o próprio é submetido a uma tensão constante em função do tempo. O ensaio de fluência tem semelhanças com o ensaio de tração, sendo a única diferença que no ensaio de fluência o esforço é aplicado a uma temperatura controlada (maior que a do ambiente), e não a uma temperatura ambiente como ocorre no ensaio de tração. Outra diferença entre o ensaio de fluência e o ensaio de torção é que, nos ensaios de fluência, é preciso submeter o corpo de prova a um tempo de experimento muito maior do que um ensaio de tração, que geralmente ocorre em tempos mais curtos. A temperatura do material é importante em um ensaio de fluência, pois essa variável resulta em diferenças nos comportamentos dos materiais. Por isso, é importante alguns cuidados referentes a análise das condições dos equipamentos cujo o ensaio é realizado. O quadro abaixo mostra a temperatura que cada material atinge a fluência: Quadro 6. Temperaturas que os materiais atingem a fluência. Material Temperatura (ºC) Chumbo Temperatura ambiente Ligas de alumínio 150 Aços em geral 350 Molibdênio 800 Fonte: adaptado de Garcia, 2000. 74 UNIDADE II │ ENSAIOS DESTRUTIVOS Materiais que são utilizados em indústrias petroquímicas, para a construção de caldeiras ou para a construção de uma turbina de avião são exemplos de materiais, que estão expostos à uma alta tensão e elevada temperatura por um longo período. O tempo de aplicação de carga em um determinado material e/ou corpo de prova também é uma variável importante no ensaio de fluência, pois, mesmo que a tensão permaneça constante, a deformação plástica ocorre devido ao efeito que a temperatura causa na propriedade dos materiais. O ensaio de fluência apresenta algumas características importantes: » o tempo necessário para que o material sofra a ruptura; » a velocidade da fluência, considerando o ensaio submetido a tensões estáveis; » a deformação total por fluência em um determinado tempo. As características citadas acima ocorrem devido a deformação plástica, devido a carga aplicada e a deformação plástica mais lenta que ocorrem durante o ensaio de fadiga. O equipamento utilizado para o ensaio de fluência é composto por um forno, por um extensômetro e pesos. O forno geralmente é elétrico e é o dispositivo responsável pelo aquecimento e pela manutenção da temperatura que é desejada na aplicação em um corpo de prova. Em alguns casos, é comum o corpo de prova ser submetido a um pré- aquecimento abaixo da temperatura necessária, com o objetivo de igualar a temperatura de todo o corpo do material. Figura 30. Equipamento de ensaio de fluência (esquemático). Corpo de prova Forno Pesos Fonte: adaptado de Garcia, 2000. 75 ENSAIOS DESTRUTIVOS │ UNIDADE II O tempo de duração de um processo de ensaio de fluência pode variar de acordo com a sua aplicação. Porém, em ensaios sem causas especiais, o tempo de ensaio não supera 1.000 horas. Em processos de ensaio com causas especiais, dependendo das especificações relacionadas ao tempo de resistência da ruptura, o ensaio de fluência pode ser submetido entre 100 e 10.000 horas. Durante todo o tempo do ensaio de fluência, seja ele qual for, é necessário controlar a temperatura do material do corpo de prova. Para isso, é preciso realizar um número mínimo de medições com o objetivo de coletar resultados satisfatórios para o ensaio de fluência. O ensaio de fluência pode ser dividido em três tipos de ensaio: » ensaio por fluência tradicional; » ensaio de ruptura por fluência; » ensaio de relaxação. Ensaio por fluência tradicional No ensaio por fluência tradicional, a carga exercida sobre o corpo de prova e a temperatura são mantidas constantes, e ao decorrer do tempo o grau e/ou evolução da deformação é verificado. Os valores devem atender aos requisitos das normas de aplicação para que a velocidade de fluência não ultrapasse 1% em 10.000 horas ou 1% em 100.000horas. Quando, em um determinado teste, não é possível esperar muito tempo para a obtenção dos resultados, são realizadas alterações nas cargas aplicadas, com o objetivo de verificar o comportamento do material mediante a essa alteração. Desta forma, obtém-se uma estimativa de comportamento do material. O resultado obtido no ensaio por fluência tradicional pode ser dividido em três fases, conforme a figura a seguir. Figura 31. Estágios do teste de fluência. Tempo D ef or m aç ão Estágio 1 Estágio 2 Estágio 3 Ruptura Fonte: adaptado de Garcia, 2000. 76 UNIDADE II │ ENSAIOS DESTRUTIVOS Primeiro estágio – é evidenciado a fluência primária ou transitória. Nessa etapa do ensaio a taxa de fluência apresenta comportamento decrescente. Essa característica ocorre devido ao aumento da resistência do material, causado pelo encruamento dele. Segundo estágio – é evidenciado a fluência secundária, apresenta a taxa de fluência constante. O segundo estágio tem como principal característica a taxa de fluência mínima do material. Terceiro estágio – é evidenciado a fluência terciária, a ruptura ocorre devido a um grau de redução da seção significativo, resultando na ruptura do corpo de prova. Ensaio de ruptura por fluência No ensaio de ruptura por fluência, o corpo de prova é submetido a testes com cargas maiores, com o objetivo de levá-lo a ruptura mais rapidamente, fator que aumenta a velocidade da fluência. O ensaio de ruptura por fluência é indicado para testes e estudos de novos materiais e, geralmente, é aplicado em etapas iniciais de desenvolvimento de produtos. A aplicação de um ensaio de ruptura por fluência leva vantagens na sua velocidade de execução devido à rapidez da sua realização. Ensaio de relaxação O ensaio de relaxação tem como objetivo buscar a redução da tensão a que o corpo de prova está submetido a um determinado período de tempo, mantendo, para isso, a deformação constante a uma determinada temperatura. Os ensaios de relaxação têm como principal aplicação em aços que são utilizados na construção civil, como em barra de aços que são submetidas ao tratamento para aumentar a resistência do concreto, que consiste em dar tensão aos cabos de aço antes que a massa endureça. Um ensaio de relaxação pode durar de 1.000 a 2.000 horas. 77 CAPÍTULO 8 Ensaio de tenacidade à fratura A fratura é um fenômeno mecânico que tem como característica a criação de um ou mais fragmentos, trincas ou rupturas na superfície de um material sólido. Esses fenômenos ocorrem por meio de aplicações de cargas que levam ao rompimento do sólido, mediante a atuação de tensões proporcionadas pela carga aplicada, causando então a fratura. O ensaio de tenacidade à fratura é um método de ensaio destrutivo que tem como objetivo avaliar o comportamento mecânico dos materiais sólidos na presença de falhas ou descontinuidades que apresentam condições críticas para o crescimento de uma trinca por meio de uma relação da tensão aplicada, das dimensões da trinca e também da resistência tenaz do material. Resistência tenaz é a energia mecânica capaz de gerar uma ruptura em um determinado material por meio de impacto. Outra definição para resistência tenaz é a medida de quantidade de energia que um determinado material pode absorver antes de apresentar fratura ou ruptura. Para realizar um ensaio destrutivo de tenacidade à fratura é recomendado os seguintes métodos de amostras padronizadas: flexão de três pontos e corpo de prova de tração, conforme as figuras 32 e 33, respectivamente. Figura 32. Flexão de três pontos. Fonte: Adaptado de Garcia, 2000. Figura 33. Corpo de prova de tração. Fonte: Adaptado de Garcia, 2000. 78 UNIDADE II │ ENSAIOS DESTRUTIVOS O avanço da trinca do corpo de prova é monitorado por meio da relação de curva da carga versus o deslocamento da trinca obtido durante o ensaio de tenacidade à fratura. Uma situação aceitável esperada em um ensaio destrutivo de tenacidade à fratura é a característica de uma reta para a curva crescente de carregamento de tensão obtida no processo de ensaio, desde a sua origem (início do ensaio) até o momento em que a trinca é evidenciada por meio de um crescimento instável quando ocorre a queda definitiva do valor da carga de tensão (final do ensaio/ruptura do material), resultado característico de um corpo estático linear. O efeito pode ocorrer principalmente por causa das deformações plásticas presentes nas regiões das pontas das trincas, ou até por algum crescimento estável da trinca. No caso do ensaio destrutivo de tenacidade à fratura aplicado em metais, a norma ASTM E1820 cita que, algum desvio de linearidade ocorre no início do processo de ensaio. Porém, a norma recomenda que esse desvio de linearidade nessa fase do ensaio seja desconsiderado. A norma também recomenda o carregamento preliminar controlado da amostra do material ou do corpo de prova que será submetido ao teste de ensaio, atribuindo uma limitação à carga máxima aplicada, seguido do seu deslocamento. O ensaio destrutivo de tenacidade à fratura geralmente é aplicado com os seguintes objetivos: » realizar avaliações na composição química do material; » analisar a influência e/ou a qualidade de processos de tratamento térmico, solda, conformação mecânica, entre outros; » medir a tenacidade à fratura de materiais, sejam eles novos, brutos, processados ou semiprocessados; » para inspeções e análises de controle de qualidade; » para verificação de propriedades de manufatura de componentes em casos que as dimensões do produto são compatíveis para a construção de corpos de prova dentro dos padrões estabelecidos; » avaliar um componente aplicado em um sistema ou serviço; » estabelecer a adequação do material para uma determinada aplicação e/ou projeto; » avaliar condições de tensões pré-determinadas. 79 ENSAIOS DESTRUTIVOS │ UNIDADE II Após a realização do ensaio destrutivo por tenacidade à fratura, é realizada a identificação da direção da fratura em relação à geometria do produto, a fim de avaliar a direção normal ao plano da trinca e a direção esperada da propagação dessa trinca. A tenacidade à fratura de um determinado material varia de acordo com a orientação e com a propagação da trinca em relação às características físicas desse material, que pode ser obtido por meio da função direta de um esforço mecânico sofrido pelo material somado à direção de crescimento do grão. A trinca por fadiga também é comum em corpos de prova de diversas configurações e formas geométricas. A pré-trinca formada por fadiga ocorre por meio de um carregamento cíclico de um corpo de prova “entalhado” com uma taxa de variação de tensão máxima e mínima estabelecida por meio de um determinado número de ciclos. Esses ciclos são precisos pois afetam na formação da trinca do material em sua raiz do entalhe e, em seguida, de todo o crescimento desta trinca, que por sua vez pode ser observada mediante a inspeção nas laterais do corpo de prova. Após a fratura do corpo de prova, recomenda-se que seja realizada medições nas trincas apresentadas no material. Recomenda-se que três pontos diferentes sejam medidos, obtendo-se assim um valor médio para a utilização em cálculos. O aspecto visual da fratura também pode evidenciar ou revelar aspectos ou características referentes ao comportamento dos materiais ensaiados, podendo variar de acordo com o tipo do ensaio ou com o tipo de material que foi submetido ao teste. Conforme a imagem a seguir, podemos conhecer um pouco mais sobre os tipos comuns de fraturas que geralmente ocorrem em um ensaio destrutivo por tenacidade à fratura: Figura 34. Aparência de superfícies fraturadas. Fonte: adaptado de Garcia, 2000. 80 UNIDADE II │ ENSAIOS DESTRUTIVOS Existem alguns fatores que são capazes de influenciar um determinado material em relação ao seu comportamento no ensaio destrutivo de tenacidade à fratura. São eles: » Fatores internos: características do material,propriedades e composição química, tamanho de grão cristalino etc. » Fatores externos: temperatura, umidade, taxa de formação, meio ambiente etc. Alguns métodos de ensaio destrutivo de tenacidade à fratura podem contribuir de maneira positiva na melhoria das propriedades dos materiais em relação à própria tenacidade à fratura. A capacidade do material em sofrer resistência a crescimento da trinca apresenta variação de alguns fatores, podendo citar entre eles: » Dimensões de defeitos, falhas e descontinuidades: os tamanhos de defeitos, falhas e descontinuidades podem diminuir por meio da técnica da limpeza de impurezas do material no metal líquido. A conformação mecânica do material a quente também reduza quantidade de defeitos e melhora da tenacidade à fratura do material. » Ductilidade do material: materiais com mais tendência a ductilidade tendem a apresentar deformações próximas a região da trinca, impedindo o seu crescimento. Sendo assim, ao aumentar a resistência do material tende-se a diminuir a sua ductilidade, resultando na diminuição da tenacidade à fratura do material. » Tamanho da espessura: materiais com espessuras maiores apresentam uma maior tenacidade à fratura quando comparados aos materiais com espessuras menores. » Aplicação de carga: valores altos de aplicação de cargas resultam em maiores tensões sobre o material, diminuindo sua tenacidade à fratura. » Grão cristalino: por meio do refinamento do grão cristalino é possível obter melhor resistência mecânica do material. 81 UNIDADE IIIENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS CAPÍTULO 1 Introdução, conceitos básicos, tipos de ensaio e normatização De acordo com o Instituto Britânico de Ensaios Não Destrutivos (BINDT), os ensaios não destrutivos são aplicados em cenários que desejam obter resultados de análises com o objetivo de detectar e avaliar falhas nos materiais que podem resultar à perda de resistência mecânica e, por consequência, à falha do material em questão. O ensaio não destrutivo é um conjunto de técnicas que tem como principal objetivo a realização de medições de descontinuidades, defeitos e falhas de um determinado material, detectar as suas propriedades mecânicas, identificar a composição química do material e verificar o desempenho dos metais ferrosos e não ferrosos e também dos materiais não metálicos. O ensaio não destrutivo é o único método de ensaio capaz de detectar e identificar descontinuidades, defeitos e falhas presente no interior dos materiais. A aplicação e a utilização de métodos de ensaios não destrutivos permitem que peças e componentes que apresentam elevado grau de responsabilidade e de segurança dentro de um sistema ou de um equipamento funcionem de maneira assegurada e tenham seu serviço garantido. Os princípios básicos de um ensaio não destrutivo partem da aplicação de energia física, de modo que não cause nenhum tipo de dano ao material submetido ao ensaio, não causando influência em um funcionamento posterior da peça ou da aplicação do material inspecionado. Claro que o ensaio não destrutivo pode deixar alguma marca ou vestígio na peça, característica que pode ser inerente ao processo de ensaio não destrutivo dependendo do método que seja escolhido e aplicado para tal. Porém, essas características devem estar dentro de limites aceitáveis para que não comprometa o funcionamento de um determinado item em um equipamento ou sistema. 82 UNIDADE III │ ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS Dentre as diversas razões que levam uma indústria a aplicar o ensaio não destrutivo de materiais em seu âmbito fabril, podemos citar os seguintes pontos: » assegurar a qualidade dos produtos fabricados pela empresa, mantendo a boa reputação da marca ou do produto no mercado; » gerar margem de lucro maiores; » evitar a interrupção de serviços prestados, diminuindo assim o índice de manutenções corretivas; » contribuir para o fator de segurança por meio da diminuição de acidentes; » o método possui excelente capacidade de detecção de descontinuidades ou defeitos das mais variadas dimensões e formatos; » o método é capaz de identificar as propriedades físicas do material; » capacidade de detecção de propriedades ópticas do material; » capacidade de detecção de propriedades elétricas do material; » capacidade de detecção de propriedades magnéticas do material; » capacidade de detecção de propriedades mecânicas do material; » capacidade de realizar uma avaliação estrutural em diversos tipos de material e de componentes. Os ensaios não destrutivos são processos de inspeção classificados como processos especiais pela norma ISO 9001. Isso requer que todos os profissionais que trabalham na área de ensaios não destrutivos sejam treinados e qualificados para exercer o trabalho, visto que o padrão de qualidade exigido é altíssimo para a execução desse tipo de atividade. Dentre os órgãos certificadores para os profissionais da área de ensaios não destrutivos temos como um dos mais conhecidos, em âmbito nacional, a Associação Brasileira de Ensaios Não Destrutivos – ABENDE e em âmbito internacional a The American Society of Mechanical Engineers (ASME) – ou Sociedade dos Engenheiros Mecânicos dos Estados Unidos, em tradução livre). Um ensaio não destrutivo pode verificar diversas caraterísticas como, por exemplo: » variações nas propriedades estruturais do material; » trincas em geral; » inclusão de materiais em cordão de solda. 83 ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS │ UNIDADE III Em um ensaio não destrutivo, as falhas podem ser classificadas da seguinte maneira: » Descontinuidades: são imperfeições no material que não causam interferência na performance ou no funcionamento de uma máquina ou equipamento como, por exemplo, vazios internos na estrutura do material provenientes de um processo de fundição. É importante que as descontinuidades estejam dentro do critério de aceitação de cada respectiva norma. » Defeitos ou falhas: defeitos ou falhas são as descontinuidades que estão acima ou fora do critério de aceitação. Em outras palavras, defeitos ou falhas são descontinuidades críticas ou que apresentam riscos para o funcionamento de um equipamento. Descontinuidades são classificadas como defeitos quando imperfeições com vazios internos na estrutura do material vem à tona na superfície, podendo gerar trincas e pontos de vazamento. Em outras palavras, o defeito é uma falha em alguma característica que é essencial para o funcionamento de uma máquina ou equipamento. A escolha do método a ser empregado em um ensaio não destrutivo é definida por meio das possibilidades de detecção cujo o determinado método de ensaio é capaz de identificar. Para tal, é importante ter bem definido os seguintes pontos, a fim de escolher o método de ensaio mais assertivo para coletar um resultado mais confiável: » definir o material que será ensaiado/inspecionado; » definir o tipo de propriedade que será analisada; » definir o custo que será empregado no ciclo e/ou no processo de ensaio não destrutivo, por meio da definição do número de amostras, dos processos necessários para o corte e a confecção do corpo de prova, bem como a utilização dos equipamentos, insumos e consumíveis necessários para a realização completa da operação; » ter disponível mão de obra especializada, treinada e qualificada para a realização do ensaio; » ter disponível instalações industriais que tornem possível a realização do ensaio não destrutivo. Em casos que mais de um método de ensaio não destrutivo seja capaz de detectar as características, propriedades ou defeitos a serem inspecionados, recomenda-se a escolha do método que mais se adapte à realidade da inspeção, pensando nos custos, 84 UNIDADE III │ ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS na sua aplicação e nos recursos que se têm disponíveis para a realização completa do método escolhido. Outra variável que pode ser considerada no momento da escolha do método de ensaio não destrutivo a ser realizado é a velocidade cujoo processo de inspeção é realizado. Esse fator é de extrema importância, pois pode exigir a disponibilidade de processos ou de equipamentos com elevado grau de automação, com incorporações ao processo de construção dos corpos de prova como ferramentas especiais ou a construção/elaboração de dispositivos personalizados e até mesmo o planejamento e o controle da produção da fábrica, levando em conta que é uma realidade muito comum a utilização das maquinas pertencentes ao meio de produção para a fabricação e/ou confecção dos corpos de prova, pois manter uma máquina dedicada para essa função pode gerar um custo excessivo e elevado, a não ser que a empresa em questão seja especialista na prestação de serviços de ensaios não destrutivos e não realize a produção de outros tipos de produtos, peças, itens e componentes. Deve-se considerar também que a escolha por um método de ensaio não destrutivo mais rápido nem sempre será o método que apresenta o custo mais barato. Todos esses fatores devem ser considerados no momento da definição do método de inspeção que será realizado. A grande vantagem dos ensaios não destrutivos é que o material e/ou corpo de prova não precisa ser descartado após a submissão ao teste. Isso faz dos ensaios não destrutivos uma excelente alternativa na aplicação de inspeções de qualidade e para auditorias nas condições de operação de máquinas e equipamentos. Entre os ensaios não destrutivos, temos: » líquidos penetrantes; » métodos magnéticos; » ensaio ultrassônico de materiais; » métodos radiológicos. Os métodos de ensaio não destrutivos costumam ser classificados em dois grupos distintos, que são especificados de acordo com o tipo de descontinuidade ou de defeito que se deseja identificar: » Método de inspeção nas superfícies: os métodos de inspeção realizados nas superfícies do material é aplicado quando deseja-se identificar descontinuidades, defeitos e falhas em geral na superfície externa ou, em alguns casos, na subsuperfícies de um determinado material. Podemos citar como exemplos de ensaios que possuem o método de inspeção nas 85 ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS │ UNIDADE III superfícies dos materiais aqueles métodos que apresentam a possibilidade de ensaios visuais como o próprio ensaio visual, o ensaio por líquidos penetrantes e o ensaio por partículas magnéticas. » Método de inspeção volumétrica: os métodos de inspeção volumétricos são métodos de ensaio não destrutivos que são escolhidos quando deseja-se identificar e/ou detectar descontinuidades, defeitos e falhas na região interna de um determinado material. Podemos citar como exemplos de ensaios que possuem o método de inspeção volumétrica o ensaio ultrassônico de materiais e os ensaios não destrutivos realizados por métodos radiológicos. A utilização dos métodos de ensaios não destrutivos pode ser empregada como um recurso auxiliar para a realização de ensaios destrutivos, considerando que os métodos de ensaios não destrutivos podem ser utilizados como processos complementares nesse cenário. A realização dos ensaios não destrutivos geralmente não requer que os serviços sejam interrompidos, bem como as paradas de máquinas para verificar ou analisar as peças. Esse fator contribui para que a integridade do material esteja assegurada e que as condições de operações de um determinado processo, máquina ou equipamento não sejam alteradas, garantindo o cumprimento dos padrões estabelecidos. Os ensaios não destrutivos são realizados diretamente nas peças que serão colocadas em operação, seja em máquinas, equipamentos, automóveis, sistemas em geral etc. Esse fator gera maior confiabilidade nos ensaios não destrutivos quando comparados aos ensaios destrutivos, pois neste método deverá extrair a parte de um material e testar de modo a rompê-la ou deformá-la, evitando assim a sua utilização. No ensaio não destrutivo todas as peças fabricadas em um determinado lote de produção podem ser ensaiadas e depois aplicadas em seu local de uso ou aplicação, desde que se atendam aos requisitos do projeto do item, componente ou produto em questão e que exista uma justificativa econômica para tal, ou que seja um requisito específico de projeto ou então que exista uma norma de segurança ou uma norma em contrato que exija o teste de ensaio não destrutivo em 100 % das peças fabricadas. 86 CAPÍTULO 2 Líquidos penetrantes O ensaio não destrutivo realizado por meio de líquidos penetrantes é um dos métodos de ensaio de materiais mais antigos, tenso sua origem em oficinas de manutenção de estrada de ferro. Apesar de ser um método de criação mais antiga, é um teste muito eficiente e que é muito aplicado até os dias atuais. O ensaio não destrutivo foi criado na época da revolução industrial, período que durou entre os anos de 1760 e 1840. Nessa época, havia pouco conhecimento referente a descontinuidades e falhas existentes em peças mecânicas. A essa falta de conhecimento, muitas peças apresentavam rompimento por fadiga, resultado da exposição a esforções de tração, flexão, compressão, esforços cilíndricos etc., características inerentes às aplicações de onde as peças eram utilizadas. Tornou-se comum o surgimento de trinca e, por consequência, de rupturas em peças utilizadas em vagões, nos eixos de movimentação, rodas etc. Esses modos de falha muitas vezes não eram previstos pelos engenheiros da época, e em muitas vezes determinar a causa raiz desses problemas era difícil, devido à limitação de recursos na época. O único método utilizado na época era o ensaio visual, que possuía limitações na detecção de trincas, pois apenas as trincas maiores tinham capacidade de ser detectadas. Outro fator que dificultava a detecção de trincas nas peças era a dificuldade em realizar limpeza nas peças. O ensaio não destrutivo realizado por meio de líquidos penetrantes foi desenvolvido na indústria ferroviária com o objetivo de auxiliar a detecção de falhas, quando elas não podiam ser notadas por meio da inspeção visual. Com o objetivo de buscar soluções para melhorar a detecção dessas descontinuidades e falhas, foi desenvolvido um ensaio não destrutivo que deu origem ao ensaio não destrutivo por líquidos penetrantes, chamado de método do óleo e giz. O método do óleo e giz consistia em lavar as peças com soda cáustica ou com água fervendo, para em seguida submergir as peças em um recipiente com óleo e querosene por um determinado período de tempo, podendo ficar dentro desses recipientes por horas ou por até um dia inteiro, para que o óleo penetrasse nas descontinuidades e falhas existentes no material. Em seguida, as peças eram removidas do recipiente e iniciava-se o processo de limpeza, geralmente realizado com o auxílio de uma estopa molhada com querosene, para em 87 ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS │ UNIDADE III seguida serem dispostas em um local adequado para que fossem secadas. Após as peças encontrar-se secas, pintavam-se as peças com uma mistura de álcool e giz, resultando em uma camada de pó branco na superfície da peça. Na sequência, as peças eram submetidas a marteladas. As marteladas faziam com que o composto de óleo e querosene, presente no interior das trincas das peças, saíssem do interior da peça. Esse fenômeno manchava a camada de pó branco na superfície da peça e denunciava a presença de descontinuidades e de falhas no material, detectando as trincas com maior facilidade. Apesar de se tornar um teste muito eficiente para a época, com o passar do tempo esse tipo de ensaio apresentava margens para erros, pois não existiam métodos de controle para a quantidade de óleo, giz e querosene utilizados. Além disso, o teste era mais eficiente na detecção de trincas e falhas de porte médio para alto. Trincas e falhas superficiais pequenas não eram bem detectadas com a utilização deste método. Com o passar do tempo e com a evolução e avanço industrial, surgiu a necessidade de aprimorar as técnicas do ensaio não destrutivo por líquidos penetrantes, principalmentepara ensaiar peças produzidas com materiais não ferrosos. Foi então que, na década de 1940, Roberto C. Switzer decidiu aprimorar a técnica do método de óleo e giz, desenvolvendo então o ensaio não destrutivo por meio da utilização de líquidos penetrantes. A nova técnica desenvolvida consiste em aplicar uma camada de líquido penetrante na superfície que será submetida ao ensaio. Em seguida, deve-se remover o excesso e, com o auxílio de um revelador, torna-se possível identificar a região que existe trinca ou fissura do material, evidenciado por meio da penetração do líquido. As etapas do método de um ensaio não destrutivo por líquido penetrante são as seguintes: » limpeza da superfície; » tempo para secagem da limpeza da superfície; » aplicação do líquido penetrante; » aplicação do revelador; » expansão do penetrante; » avaliação da peça; » registro dos dados encontrados; » limpeza da peça. 88 UNIDADE III │ ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS O líquido penetrante O líquido penetrante é o insumo que apresenta maior importância neste método de ensaio. Um líquido penetrante apresenta em sua composição outros líquidos que devem apresentar características essências e fundamentais para garantir uma boa performance e resultado na realização do ensaio. A seguir, iremos conhecer um pouco mais destas características: » ter capacidade de penetração em pequenas aberturas; » ter capacidade de manter-se em aberturas grandes; » ser removível da superfície que estiver aplicado; » apresentar elevado brilho e florescência; » apresentar estabilidade em suas características, seja quando estiver estocado ou quando estiver em uso; » não deve perder as características de brilho e florescência quando ser submetido ou exposto ao calor, luz branca ou luz negra; » não deve reagir com o material a ser ensaiado; » não deve ser inflamável; » não deve ser toxico; » não deve evaporar ou secar em pouco tempo; » deve sair da cavidade em pouco tempo, quando submetido à aplicação do revelador. As características citadas não garantem, por si só, a qualidade de um líquido penetrante. A qualidade elevada de um líquido penetrante depende da combinação de todos esses fatores, das matérias primas utilizadas, do cumprimento das recomendações de estocagem, armazenamento, aplicação etc. Os líquidos penetrantes são classificados de acordo com a sua visibilidade a olho nu e quanto ao tipo da remoção do excesso da superfície. De acordo com a visibilidade a olho nu, os líquidos penetrantes são classificados em: » Fluorescentes: são constituídos por substâncias naturalmente fluorescentes que, ao serem expostas à luz negra, apresentam excitação e resultam em alta florescência. 89 ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS │ UNIDADE III » Visíveis coloridos: são penetrantes aplicados para que produzam um bom contraste com o fundo branco do revelador. É muito comum a utilização de líquido penetrante vermelho para esse tipo de aplicação. E de acordo com o tipo de remoção do excesso na superfície, os líquidos penetrantes são classificados em: » Laváveis em água: os líquidos penetrantes laváveis em água apresentam em sua composição insumos que contribuem para a sua remoção por meio do uso da água. Apesar de ser uma operação simples, a remoção do líquido penetrante por água deve ser executada com muita atenção e com cuidado, pois a demora em remover o excesso ou a aplicação de jatos de água podem remover o líquido penetrante de dentro das falhas ou descontinuidades, podendo “mascarar” o resultado final. » Pós emulsificador: ao contrário dos laváveis em água, os líquidos penetrantes pós emulsificadores são insolúveis em água. Sendo assim, a remoção do excesso desse líquido penetrante deve ser realizada com o auxílio de um emulsificador, que geralmente é aplicado em separado. O emulsificador, quando aplicado, combina com o excesso de líquido penetrante, tornando então uma mistura lavável em água. Sendo assim, após a aplicação do emulsificador, deve se seguir os passos do tópico acima. O emulsificador é classificado como um composto químico complexo. Quando um emulsificador é aplicado em uma superfície que existe o líquido penetrante, torna a mistura lavável em água, contribuindo para a remoção do excesso de líquido penetrante. » Removíveis por solvente: são líquidos penetrantes que apresentam composição química mais simples, proporcionando a remoção do excesso por meio de papéis ou panos, secos ou molhados, até que reste uma pequena quantidade de líquido penetrante da superfície do material ou da peça ensaiada. Em seguida, essa pequena quantidade de líquido penetrante restante na superfície é removida com um solvente apropriado. Mas então, qual líquido penetrante deve ser escolhido? Com diversas opções e características dos líquidos penetrantes, algumas dicas são importantes para decidir qual líquido penetrante utilizar em um ensaio. 90 UNIDADE III │ ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS Conhecer as características de um líquido penetrante é um fator extremamente importante, pois auxiliará na escolha e/ou na definição do método de ensaio mais adequado para o tipo de peça ou material e para o resultado que se é esperado, com base nos requisitos de qualidade e também com base nas especificações do material ou do produto. Um outro fator que deve ser considerado na escolha do líquido penetrante, com base nas especificações do produto e nos requisitos de qualidade, é o planejamento de quais falhas ou descontinuidades são críticas para aplicação, ou seja, as falhas ou descontinuidades que devem ser detectadas, e também planejar as falhas e descontinuidades que não são críticas para a aplicação, que são falhas que não precisam necessariamente serem detectadas. Dentro de um projeto ou de uma aplicação, é importante garantir que uma peça ou material estejam livres de defeitos que possam interferir na qualidade, na segurança, ou no ciclo de vida de um produto. Com base desses pontos, o líquido penetrante é escolhido e aplicado em um ensaio não destrutivo. » Penetrante fluorescente lavável com água: geralmente é o líquido penetrante mais utilizado em um ensaio não destrutivo por líquidos penetrantes, pois tem capacidade de detectar uma enorme gama de tipo de falhas e descontinuidades, exceto arranhões ou defeitos rasos, que apresentem pouca penetração o líquido. Esse líquido penetrante pode ser aplicado em peças que apresentam não uniformidade em suas dimensões e também superfícies rugosas. É um líquido penetrante que, quando aplicado, oferece uma boa visibilidade das descontinuidades, além de ser um método econômico e de simples aplicação. » Penetrantes fluorescentes pós emulsificante: apresenta características mais fluorescente que os demais líquidos penetrantes. Esse liquido penetrante apresenta uma enorme sensibilidade para detectar falhas e descontinuidades muito pequenos e/ou muito rasos, sendo uma boa opção quando os líquidos penetrantes fluorescentes laváveis com água não podem ser aplicados. A aplicação do líquido penetrante fluorescente pós emulsificante torna o método de ensaio muito mais produtivo, pois é requerido um menor tempo de penetração do líquido penetrante e é facilmente lavável em água, com o auxílio do emulsificante. A desvantagem desse líquido penetrante em questão é que ele apresenta um custo mais elevado quando comparado aos demais. 91 ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS │ UNIDADE III » Penetrante visível: neste caso, é englobado os líquidos penetrantes visíveis laváveis por solvente, por água e também por pós emulsificante. São líquidos que permitem um método rápido, eficaz e muitas vezes portáteis, pois dispensam o uso de luz negra e podem detectar falhas e descontinuidades facilmente, por meio da utilização de uma luz branca ou até mesmo de luz natural. Apesar de ser um método simples, sua aplicação não é muito eficaz na detecção de falhas e descontinuidades muito finas e rasas, tornando a visualização dessas característicaslimitadas. Descrição do ensaio por líquidos penetrantes O ensaio não destrutivo por líquidos penetrantes é aplicado em diversos ensaios de materiais sólidos, como os metais ferrosos e não ferrosos, madeira, vidro, cerâmicas vitrificadas, plásticos, entre outros. O principal objetivo do ensaio não destrutivo por líquido penetrante é a detecção de descontinuidades e falhas nas superfícies dos materiais, como trincas, poros, fissuras e dobras que não são visíveis a olho nu. O método do ensaio não destrutivo por líquido penetrante consiste em aplicar um líquido penetrante específico na superfície do material que será submetido ao ensaio. Após a aplicação do líquido penetrante, deve-se remover o excesso desse líquido, um material chamado revelador é aplicado na superfície do material, fazendo com que o líquido penetrante saia das descontinuidades existentes no material ensaiado, sendo assim evidenciados e detectados por um contraste do líquido penetrante com o revelador. Para se efetuar um ensaio não destrutivo por líquidos penetrantes, deve-se seguir os seguintes passos: » preparação e limpeza da superfície; » aplicação do líquido penetrante; » remoção do excesso do líquido penetrante; » revelação; » inspeção; » limpeza completa da peça. 92 UNIDADE III │ ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS Preparação e limpeza da superfície A limpeza da superfície da peça ou material que será ensaiado é uma etapa muito importante para o processo de teste, pois contribui para uma revelação precisa das descontinuidades e falhas, elevando assim o grau de confiabilidade no resultado obtido. O processo de limpeza da superfície tem como principal objetivo a remoção de tintas, de camadas protetoras, graxa, óleo, poeira ou até oxidações da superfície do material, para facilitar a entrada do líquido penetrante nas descontinuidades do material, uma vez que os resíduos supracitados podem impedir a boa eficiência do líquido penetrante. Para efetuar uma limpeza desses resíduos de maneira eficaz, sem contaminar a superfície do material que será ensaiado, geralmente utilizam-se desengraxantes, solventes, ou outros, como água, solução alcalina ou soluções ácidas, de acordo com o tipo de contaminante ou da condição da superfície do material, de acordo com o quadro 7. Quadro 7. Contaminantes e sua remoção/limpeza. Contaminante Condição da Superfície Efeito/Sintoma Solução Graxa ou óleo Prejudica a ação do líquido penetrante; Pode ser facilmente detectado pela luz negra, pois graxa e óleo apresentam florescência sob luz negra. Aplicar solvente ou removedor; Limpeza alcalina a quente ou vapor desengraxante. Carbono, verniz ou terra Essas substâncias absorvem o líquido penetrante, evitando que ele seja absorvido pela peça a ser ensaiada; Pode causar fluorescência quando submetido à luz negra, podendo confundir a substância com alguma falha ou descontinuidade. Solvente ou solução alcalina; Jateamento; Limpeza com escova; Submeter a peça a vapor. Oxidação ou ferrugem Oxidações ou ferrugens em geral absorvem o líquido penetrante, evitando que ele seja absorvido pela peça a ser ensaiada; Pode causar fluorescência quando submetido à luz negra, podendo confundir a substância com alguma falha ou descontinuidade. Solução alcalina; Solução ácida; Limpeza com escova; Jateamento; Submeter a peça a vapor. Pintora/Tintas Impede a entrada do líquido penetrante nas descontinuidades ou falhas do material. Solvente removedor de tinta; Removedor alcalino; Jateamento. Água Impede a entrada do líquido penetrante nas descontinuidades ou falhas do material. Dispor a peça em uma estufa; Aquecer a peça; Ar seco. Ácidos Impedem a entrada do líquido penetrante nas descontinuidades ou falhas do material. Neutralizadores em geral; Lavar com água corrente. Superfície rugosa Dificulta as etapas de preparação da superfície e limpeza e a remoção do líquido penetrante da superfície do material. Polimento; Usinagem; Fresagem. 93 ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS │ UNIDADE III Contaminante Condição da Superfície Efeito/Sintoma Solução Conformação ou jateamento Pode encobrir a falha ou descontinuidade do material, impedindo a entrada do líquido penetrante Usinagem; Fresagem Ataque químico. Fonte: adaptado de Garcia, 2000. Aplicação do líquido penetrante Por meio de um método por imersão da peça ou pela aplicação por pinceis, pistolas ou spray, o líquido penetrante é aplicado no material a ser ensaiado. O líquido penetrante apresenta geralmente a coloração vermelha ou fluorescente, facilitando assim a detecção visual dessa substância. O líquido penetrante, após aplicado na peça ou material, tem a capacidade de penetrar nas descontinuidades ou falhas. O quadro apresenta o tempo de penetração mínimo de um líquido penetrante em cada tipo de material e/ou processos de fabricação. Quadro 8. Tempo mínimo de penetração. Material Processo de fabricação Descontinuidade/Falha Tempo lavagem a água Tempo de penetração Alumínio Fundido Porosidade; Trinca a frio; Gota fria 5 a 15 minutos 5 minutos Forjado Dobra Não recomendado 10 minutos Solda Porosidade 30 minutos 5 minutos Qualquer Trincas em geral 30 minutos 10 minutos Magnésio Fundido Gota fria; Porosidade 15 minutos 5 minutos Forjado Dobra Não recomendado 10 minutos Solda Porosidade 30 minutos 10 minutos Qualquer Trincas em geral 30 minutos 10 minutos Aço Fundido Gota fria; Porosidade 30 minutos 10 minutos Forjado Dobra Não recomendado 10 minutos Solda Porosidade 60 minutos 20 minutos Qualquer Trincas em geral 30 minutos 20 minutos 94 UNIDADE III │ ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS Material Processo de fabricação Descontinuidade/Falha Tempo lavagem a água Tempo de penetração Latão/Bronze Fundido Gota fria; Porosidade 10 minutos 5 minutos Forjado Dobra Não recomendado 10 minutos Brasado Porosidade 15 minutos 10 minutos Qualquer Trincas em geral 30 minutos 10 minutos Plástico Qualquer Trincas em geral 5 a 30 minutos 5 minutos Vidro Qualquer Qualquer 5 a 30 minutos 5 minutos Titânio e Ligas Qualquer Qualquer Não recomendado 20 a 30 minutos Fonte: adaptado de Garcia, 2000. Os valores do quadro supracitada são baseados em experiências teóricas. Na prática pode existir variações nesses tempos, tanto para mais como para menos. É recomendado atentar-se a esses tempos em casos de aplicações e experimentos práticos. Remoção do excesso de líquido penetrante Após aguardar o tempo mínimo de penetração, o próximo passo é a remoção do excesso de líquido penetrante, de modo a garantir que o líquido penetrante em excesso não influencie no resultado final do experimento. Para tal, a remoção do excesso de líquido penetrante é extremamente importante, visto que essa remoção deixa a superfície do material totalmente isenta do excesso do líquido penetrante. O quadro 9 mostra o tempo de remoção do excesso do líquido penetrante. Quadro 9. Tempo de remoção do líquido penetrante. Material Processo de fabricação Descontinuidade/Falha Tempo de remoção do líquido penetrante Alumínio Fundido Porosidade; Trinca a frio; Gota fria 3 minutos Forjado Dobra 7 minutos Solda Porosidade 3 minutos Qualquer Trincas em geral 5 minutos Magnésio Fundido Gota fria; Porosidade 3 minutos Forjado Dobra 7 minutos Solda Porosidade 5 minutos Qualquer Trincas em geral 5 minutos 95 ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS │ UNIDADE III Material Processo de fabricação Descontinuidade/Falha Tempo de remoção do líquido penetrante Aço Fundido Gota fria; Porosidade 5 minutos Forjado Dobra 7 minutos Solda Porosidade 10 minutos Qualquer Trincas em geral 10 minutos Latão/Bronze Fundido Gota fria; Porosidade 3 minutos Forjado Dobra 7 minutos Brasado Porosidade 3 minutos Qualquer Trincas em geral 3 minutos Plástico Qualquer Trincas em geral 5 minutos Vidro Qualquer Qualquer 5 minutos Titânio e Ligas Qualquer Qualquer 15 minutos Fonte: adaptado de Garcia, 2000. Mesmo com a remoção do líquido penetrante, a penetração do líquidoocorre normalmente nas falhas e/ou descontinuidades. Por isso a importância em seguir os tempos recomendados nos quadros 8 e 9. A etapa de remoção do líquido penetrante pode ser feita de maneira manual, com o auxílio de guardanapos de papel, podendo ser seco ou umedecido com solvente, ou de pedaço de pano, também secos ou umedecidos com solvente. É proibido a utilização de estopas ou de qualquer outro material que solte fiapo na remoção dos líquidos penetrantes, uma vez que esses fiapos podem entrar nas descontinuidades e falhas na superfície do material, podendo influenciar negativamente no resultado final do ensaio. Um processo de limpeza mal realizado pode mascarar ou alterar alguns resultados, comprometendo a confiabilidade do ensaio não destrutivo por líquidos penetrantes. Revelação O processo de revelação é um dos processos fundamentais do ensaio não destrutivo por líquidos penetrantes. 96 UNIDADE III │ ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS O revelador é aplicado na superfície do material com o objetivo de revelar as falhas e/ou descontinuidades presentes no material. O revelador nada mais é do que uma substância em pó, muito semelhante ao talco, na cor branca, específico para este tipo de aplicação, pois revela as falhas e/ou descontinuidades do material por meio do contraste. Esse “talco” pode ser aplicado a seco ou com a mistura de algum líquido. O revelador atua como um absorvente. Ou seja, o revelador suga o líquido penetrante das falhas e/ou descontinuidades, assim revelando-as. Além de cumprir a função de absorvente, o revelador realiza uma indicação a partir de um volume retido dentro da cavidade de uma falha ou descontinuidade do material, tronando capaz de mostrar visualmente, e de maneira separada, duas ou mais descontinuidades ou falhas próximas. Para um revelador atender a todos esses requisitos, deve apresentar as seguintes características: » deve apresentar em sua composição química substâncias absorventes; » quando aplicado em uma superfície, deve cobri-la totalmente, garantindo alta eficiência do contraste; » deve apresentar granulação fina; » deve apresentar fácil aplicação; » deve apresentar uma camada fina e uniforme após a aplicação; » deve apresentar fácil aderência à superfície; » não deve agredir a superfície do material; » não deve ser tóxico; » deve ser umedecido facilmente pelo líquido penetrante; » deve ser de fácil remoção, auxiliando na limpeza final da peça e/ou material. Os reveladores podem ser classificados de acordo com as especificações: » Revelador de pó seco: apresentam em sua composição a sílica, que apresenta alto poder de absorção, e também o talco. O revelador de pó seco é indicado para aplicações em sistemas automáticos ou sistemas 97 ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS │ UNIDADE III estacionários. Sua desvantagem é não apresentar a maior confiabilidade na detecção de pequenas falhas e descontinuidades, quando comparado a outros métodos. » Revelador aquoso: provém de uma mistura de pó com água, geralmente aplicado por meio do processo de imersão, derramamento ou por aspersão (borrifadores). Após a aplicação do revelador aquoso em um determinado material ou peça, eles passam por um processo de secagem com o auxílio de um secador de cabelo ou até mesmo em fornos de secagem. Trata-se de um processo simples, de baixo custo e muito eficiente. » Revelador úmido não aquoso: provém de uma mistura de talco com solventes, podendo ser a base de cloro, de nafta, ou até mesmo de álcool. Deve ser aplicado em superfícies secas com o auxílio de borrifadores, aerossol ou pistolas de ar comprimido. Este revelador apresenta alta sensibilidade na detecção de falhas e descontinuidades, pois tem como principal característica o fundo de contraste branco, tornando os penetrantes visíveis. » Revelador em película: provém de uma película plástica que contém o revelador, que por sua vez suga o líquido penetrante para a superfície. Conforme a película vai se secando, as falhas e descontinuidades passam a se revelar, iniciando assim a detecção de defeitos. Esse revelador apresenta a vantagem de, após a realização do ensaio, poder destacar essa película da superfície do material e arquivá-la, gerando assim históricos e registros de inspeção com mais evidências. O tempo para revelação é muito importante e deve ser respeitado. Porém, diferente dos casos anteriores, esses tempos são pré-estabelecidos, porém podem variar de acordo com o tipo da peça, com o tipo do material, com o tipo do defeito que será detectado e, principalmente, da temperatura e umidade ambiente. Sendo assim, recomenda-se observar a peça para que seja possível realizar a inspeção no material ensaiado logo no início da secagem do revelador e também realizar uma nova inspeção quando a peça estiver totalmente seca. Porém, de acordo com alguns estudos realizados, o tempo de espera para a aplicação do penetrante e do revelador pode ocorrer conforme o quadro 10. 98 UNIDADE III │ ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS Quadro 10. Tempo mínimo de penetração e revelação recomendados. Material Forma Tipo de Descontinuidade Tempo de espera em minutos Penetrante Revelador Alumínio, magnésio, aço, bronze, titânio e altas ligas Fundidos e soldas Porosidade, trincas em geral, falta de fusão e gota fria 5 10 Plásticos Todas as formas Trincas 5 10 Vidros Todas as formas Trincas 5 10 Cerâmicas Todas as formas Trincas e porosidade 5 10 Fonte: adaptado de Andreucci, 2008. Para temperaturas menores que 10 ºC é recomendado que o tempo de penetração mínimo seja o dobro do tempo indicado no quadro. Inspeção O processo de inspeção do ensaio não destrutivo por líquidos penetrantes geralmente é bem simples e pode ser realizado a olho nu ou com o uso de alguns equipamentos. Para casos que se é aplicado líquidos penetrantes visíveis, a inspeção ocorre por meio de exposição do material a uma luz branca ou luz natural. Nestes casos, o revelador apresenta uma característica inerente de apresentar um fundo branco, fazendo assim um contraste com a descontinuidade ou falha, que geralmente é vermelha e brilhante, por causa do líquido penetrante. Já para os casos que se é aplicado líquidos penetrantes fluorescentes, as falhas e descontinuidades são melhores detectadas em ambientes escuros, geralmente com a exposição do material a uma luz negra, tornando evidente as descontinuidades e falhas por meio de uma cor amarela esverdeada com característica fluorescente, que se torna evidente por contraste com a cor violeta, roxa ou azul, que geralmente é a do material ensaiado. Limpeza Após a realização dos processos supracitados, um relatório deve ser elaborado/emitido, apresentando, assim os resultados obtidos no ensaio não destrutivo por líquidos penetrantes. Após a emissão desse relatório, a peça deve passar pelo processo de limpeza, com o objetivo de remover totalmente os resíduos que foram gerados no processo de ensaio. 99 ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS │ UNIDADE III A remoção desses resíduos é extremamente importante, pois a presença desses mesmos resíduos pode influenciar ou até ainda prejudicar as etapas posteriores ao que o material ensaiado será submetido, podendo ser etapas de fabricação nos casos em que o material esteja totalmente ou parcialmente bruto ou até mesmo em aplicações mecânicas, quando for o caso de aplicações em peças já acabadas. Vantagens e limitações do ensaio por líquido penetrante Como em todo processo de transformação, seja ele de fabricação, de inspeção, ou de ensaio, apresenta as suas vantagens e desvantagens. E para o ensaio não destrutivo por líquidos penetrantes, não é diferente. Vamos conhecer a seguir as vantagens e as desvantagens da realização deste método de ensaio. O ensaio por líquido penetrante apresenta algumas vantagens, a saber: » processo com execução e coleta de resultados simples e, geralmente, de baixo custo quando comparado a outros métodos de ensaio; » o treinamentopara realizar um ensaio não destrutivo por líquidos penetrantes é simples e requer tempo baixo para sua realização; » possui um processo de aplicação do líquido penetrante e de obtenção e interpretação dos resultados simples, sendo a maioria identificados visualmente; » apresenta baixo custo; » não é necessário realizar treinamentos complexos; » o ensaio não destrutivo por líquidos penetrantes pode detectar falhas e descontinuidades bem finas e/ou pequenas, a partir da dimensão de 0,001 mm de largura, tornando essa dimensão que não é percebida a olho nu evidente por meio do líquido penetrante e de toda a sequência do método que conhecemos acima. O ensaio não destrutivo por líquido penetrante pode ser aplicado em peças construídas de qualquer tipo de material, de qualquer dimensão e de qualquer forma geométrica; Por sua vez, o ensaio por líquido penetrante também apresenta algumas limitações: » somente descontinuidades superficiais podem ser identificadas, limitando a aplicação do ensaio. Ou seja, apesar de detectar falhas e descontinuidades 100 UNIDADE III │ ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS a partir de 0,001 mm de largura, o ensaio não destrutivo por líquidos penetrantes tem a capacidade de detectar apenas falhas e descontinuidades superficiais e que estejam abertas, uma vez que o líquido realiza a penetração por este caminho. Se existir uma falha ou descontinuidade no interior da peça e/ou do material que não esteja aberta desde a superfície, ela provavelmente não será detectada por este método de ensaio; » algumas descontinuidades ou falhas superficiais podem não ser detectadas caso as aberturas estejam preenchidas por qualquer tipo de material estranho; » a superfície da peça ou do material a ser ensaiado não pode ser nem porosa e nem absorvente, uma vez que essas características tornam a remoção do excesso de líquido penetrante ineficaz, alterando ou negligenciando o resultado final da análise; » o formato geométrico da peça pode dificultar o manuseio no ensaio, bem como a limpeza da peça; » a aplicação de líquidos penetrantes em superfícies porosas, rugosas ou absorventes dificultam a remoção do líquido penetrante após a submissão do ensaio e obtenção dos resultados; » o ensaio não destrutivo por líquidos penetrantes não é muito indicado para aplicações em equipamentos ou peças para a indústria farmacêutica, alimentícia, hospitalares ou do ramo de próteses, implantes ortopédicos e instrumentais cirúrgicos, pois requer um processo de limpeza mais robusto e, por consequência, mais demorado, com o objetivo de garantir a absoluta limpeza da peça ou material. Existem no mercado de trabalho kits completos que fornecem todos os insumos necessários para a realização de um ensaio não destrutivo por líquidos penetrantes, geralmente é composto pelos produtos de limpeza, solventes, o líquido penetrante e o revelador. Esses kits são completos e facilitam as operações de quem irá realizar o ensaio e até mesmo inspecionar os resultados obtidos. Porém, a única ressalva é realizar uma consulta prévia às especificações, tanto do material ou peça a ser ensaiada quanto as especificações do próprio ensaio, de modo que a escolha desse kit seja mais assertiva. 101 CAPÍTULO 3 Métodos magnéticos Em ensaios não destrutivos por métodos magnéticos, a principal característica que é observada é o campo magnético de materiais ferromagnéticos, é possível verificar as características dos materiais que são submetidos ao ensaio e também identificar as possibilidades de determinação de falhas, tudo isso por meio da análise do comportamento das partículas dos materiais. Um fator determinante no ensaio não destrutivo por métodos magnéticos são as linhas de campo. Um exemplo prático de como pode-se visualizar as linhas de campo é quando se dispõe de limalha de ferro sobre uma folha de papel e, em seguida, coloca-se um imã sob a folha de papel. As linhas de campo têm o seu fluxo saindo do polo norte e chegando ao polo sul, conforme a figura a seguir. Figura 35. Comportamento do campo magnético. Limalha de ferro agrupada Imã N S Superficial Superficial Peça de aço Linhas de fluxo do campo magnético Porosidade interna Porosidade Trinca Fonte: adaptado de Garcia, 2000. Por meio do princípio físico é possível identificar diversos tipos de descontinuidades, sejam elas superficiais (externas) ou subsuperficiais (internas) de tamanho de aproximadamente 3 mm. Quando uma falha é identificada acontece a repulsão das linhas de fluxo, na qual ocorre a atração da limalha de ferro, fator que evidencia a descontinuidade do material. Esse fenômeno é chamado de campo de fuga. Em um ensaio não destrutivo por métodos magnéticos, um determinado material é classificado de acordo com a sua permeabilidade magnética e também de acordo com a 102 UNIDADE III │ ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS facilidade que o material tem de ser magnetizado. Sendo assim, o ensaio não destrutivo por métodos magnéticos só pode ser utilizado nos materiais ferromagnéticos. Os materiais em que as linhas de fluxo oferecem coloração mais claras e apresentam maior intensidade de campo magnético. Dentre os materiais que mais apresentam essa característica, o aço é o material que mais possui campo magnético, seguido pelo aço ferramenta, pelo ferro fundido cinzento e pelo níquel puro. Para a realização de um ensaio não destrutivo por métodos magnéticos, é recomendado que se siga os seguintes passos: » Preparação e limpeza da superfície: esta primeira etapa é muito importante e deve ser realizada, pois tem como objetivo a remoção de sujeira e a prevenção à corrosão, uma vez que materiais sujos e oxidados podem influenciar na forma de como o campo magnético é obtido. Para realizar esta etapa da operação, geralmente usa-se escovas, jato de areia e solventes. » Magnetização da peça: a peça que será submetida ao processo de solda é magnetizada com o objetivo de evitar interferência nos instrumentos. Em processos de magnetização da peça podem existir casos que a descontinuidade do material está paralela às linhas de fluxo, tornando mais difícil a detecção de um desvio de campo, devido à sua menor intensidade. Sendo assim, existem diversas técnicas de realizar a magnetização da peça, podendo ser de forma longitudinal, circular ou multidirecional, de modo a encontrar resultados mais precisos e de maneira mais fácil. Apesar de existir diversas formas, a magnetização multidirecional é a mais utilizada e também a mais indicada, pois tem como características: a redução do tempo de análise; a economia de partículas magnéticas; e a diminuição da possibilidade de erro. Porém, a magnetização multidirecional apresenta um ponto negativo: a dificuldade de obter-se o equilíbrio entre os dois campos, ou seja, não existe sobreposição entre os dois campos. A magnetização da peça pode ser realizada pelos seguintes métodos: » Magnetização por indução de campo magnético: a peça ou o material a ser ensaio é disposto dentro do campo magnético do equipamento de testes, fazendo com que as linhas de fluxo magnético atravessem o sólido. As linhas de fluxo magnético podem ser circulares ou longitudinais. Tudo isso depende do método de magnetização a 103 ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS │ UNIDADE III realizar, que por sua vez é definido de acordo com o tipo de falha ou de descontinuidade que se deseja verificar ou detectar. » Magnetização por bonina eletromagnética: a série ou material a ser ensaiado é disposto dentro de uma bobina eletromagnética. Ao iniciar a circulação da corrente elétrica pela bobina, um campo magnético é formado com linhas de fluxo magnético longitudinal, por indução magnética. » Magnetização por equipamento Yoke: por meio do equipamento chamado Yoke, a magnetização do material ou da peça é realizada por indução de um campo magnético gerado por um eletroímã em forma de “U” que é apoiado na superfície da peça ou do material a ser ensaiado. Em seguida,aplica-se corrente elétrica no eletroímã (podendo se corrente contínua ou corrente alternada, de acordo com o método do ensaio) gerando assim um campo magnético com linhas de fluxo longitudinal entre as pernas do eletroímã. » Magnetização por condutor central: é uma técnica de magnetização muito utilizada em ensaio de materiais em formato de tubo. Neste método, um condutor elétrico é induzido no tubo que será submetido ao ensaio. Este condutor tem como função criar um campo magnético com linhas circulares, facilitando desta forma a visualização e detecção de falhas e descontinuidades presentes no tubo. » Magnetização por passagem de corrente: é um método de magnetização simples, uma corrente elétrica é aplicada sobre a peça e faz-se com que essa corrente atravesse e passe por toda a extensão do sólido, erando ao redor do material o seu próprio campo magnético. » Magnetização por eletrodos: esse processo de magnetização se dá por aplicação de eletrodos que, quando apoiados na superfície da peça ou do material a ser ensaiado, permitem a passagem de corrente elétrica pelo sistema. A magnetização por eletrodos gera linhas de fluxo de magnetização circulares. » Magnetização por contato direto: a magnetização por contato direto geralmente é aplicada em máquinas estacionárias. O processo de magnetização se dá por método que consiste em efetuar a passagem da corrente elétrica de uma extremidade da peça para a outra, por meio de linhas de fluxo magnético circulares. » Magnetização por indução e passagem de corrente: também chamado de método multidirecional, a magnetização por indução e 104 UNIDADE III │ ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS passagem de corrente ocorre por aplicação de dois campos magnéticos, sendo um de linhas de fluxo longitudinal e outro de linhas de fluxo circulares ou até mesmo de duas linhas de fluxo magnético longitudinal perpendiculares na peça ou material a ser ensaiado. Este método é realizado quando deseja-se detectar falhas e descontinuidades em qualquer direção, dentro da mesma operação, evitando assim operações adicionais. A vantagem deste método é a capacidade em analisar as peças de uma única vez, ou seja, em um único ciclo. A maior dificuldade apresentada na magnetização por indução e passagem de corrente é obter o equilíbrio entre os dois campos magnéticos, de modo que um campo não se sobressaia ao outro. » Aplicação das partículas magnéticas: a aplicação das partículas magnéticas pode ocorrer por via seca, por meio do pó, ou por via úmida, por meio de líquidos ou pastas. Nesta etapa do processo são utilizados materiais ferromagnéticos. Recomenda-se que estes materiais estejam na forma de pastas, pós ou líquidos. » Inspeção da peça: para realizar a inspeção durante um ensaio não destrutivo por métodos magnéticos, submete-se o material à uma inspeção por partículas visíveis à luz incandescente, luz branca, florescente ou luz negra, de acordo com a aplicação. » Desmagnetização da peça: com o objetivo de remover a magnetização realizada na peça para evitar a interferência nos instrumentos, é realizada a desmagnetização por campos magnéticos alternados e decrescentes. A desmagnetização da peça pode evitar os seguintes problemas: » Interferências em processos de usinagem: peças ou materiais que apresentarem magnetismo residual podem magnetizar ferramentas as ferramentas de corte e até mesmo os cavacos inerentes ao processo de usinagem, podendo fazer com que os cavacos grudem nas ferramentas de corte, diminuindo sua vida útil e a sua precisão. » Interferências em instrumentos de medição: peças ou matérias que apresentarem magnetismo residual podem influenciar as medições realizada, além de afetar os próprios instrumentos de medição quando dispostos em um mesmo conjunto. » Interferências em processos de solda: peças ou materiais que apresentarem magnetismo residual contribuem para que ocorra o desvio 105 ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS │ UNIDADE III do arco elétrico, prejudicando e comprometendo a boa qualidade do cordão de solda. Esse fenômeno também é chamado de sobro magnético. » Limpeza da peça: após a realização da inspeção da peça, a magnetização é retirada e, em seguida, a limpeza da peça é realizada, pondo reaproveitar as partículas removidas no processo de limpeza. » Desmagnetização da peça: a peça que será submetida ao processo de solda é magnetizada. Técnicas de ensaio não destrutivo por métodos magnéticos Para entender melhor as técnicas de ensaios não destrutivos por métodos magnéticos, é importante saber que existem materiais que apresentam alto magnetismo residual, ou seja, são materiais que retém parte do magnetismo após a desmagnetização da peça por meio da remoção do campo magnético. Também existe materiais que não retém esse magnetismo após a remoção do campo magnético. As diferenças supracitadas permitem a realização do ensaio não destrutivo por métodos magnéticos por meio das seguintes técnicas: » Técnica do campo magnético contínuo: essa técnica ocorre por aplicação de partículas magnéticas nas peças ou materiais no momento em que eles estão sob efeito do campo magnético. Neste método não existe magnetismo residual após a retirada do campo magnético. » Técnica do campo magnético residual: essa técnica consiste na aplicação das partículas magnéticas após a peça ou material sair do efeito do campo magnético, ou seja, nesta técnica o ensaio é realizado apenas com o magnetismo residual. Neste método é remondado que se realize a desmagnetização da peça após a realização do ensaio. » Técnica da varredura magnética: é uma técnica que consiste em efetuar uma varredura magnética completa sob todo o corpo sólido da peça ou do material, a fim de assegurar que toda a extensão do sólido foi submetida ao campo magnético. Aplicação das partículas magnéticas As partículas magnéticas são insumos encontrados na forma de pó, pó suspenso em líquido por meio de concentração e também no formato de pasta. 106 UNIDADE III │ ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS Essas partículas magnéticas também podem ser encontradas em diversos tipos de cores, sendo algumas dessas cores indicadas para a inspeção com a luz branca (geralmente a cor de partículas mais utilizada neste método é a cor vermelha) e outras cores florescentes, indicadas para métodos que utilizem a luz negra para a inspeção. Sendo assim, os métodos de aplicação das partículas magnéticas são classificados como: » Aplicação da partícula magnética: ocorrem pela via seca e pela via úmida (pó suspenso em líquido ou líquido concentrado). » Via seca: neste tipo de método não é requerido um processo de preparação inicial. As partículas são aplicadas nas peças e nos materiais diretamente sobre a superfície magnetizada por meio do uso de equipamentos como aplicadores de pó manuais ou até mesmo bombas de pulverização. Este método permite também a recuperação das partículas aplicadas sobre a superfície da peça ou do material, uma vez que as partículas estejam isentas de contaminação. » Via úmida: as partículas possuem granulometria classificadas como mais finas, fazendo com que esse método seja capaz de detectar descontinuidades e falhas muito pequenas. A preparação para este processo consiste em diluir o pó suspenso ou líquido concentrado em água, querosene ou óleo e aplicar sobre a superfície da peça ou do material a ser ensaiado. Recomenda-se a disposição de 100 ml da substância em um tubo padrão graduado e, após 30 minutos, verificar o valor das partículas que ficaram depositadas no fundo deste tubo graduado padrão. Os valores recomendados dessas partículas são de 0,1 a 0,7 mm para inspeção visível em luz negra e de 0,8 a 2,4 mm para inspeção por luz branca. » Forma de inspeção: ocorrem por meio da luz branca para cores visíveis e por luz negra para cores fluorescentes. Geralmente, o método utilizado para a aplicação das partículas ocorre por meio da aplicação por borrifadores manuais, chuveiros de baixa pressão,ou derramado a mistura diretamente sobre a superfície da peça ou material. Para uma melhor visualização das partículas magnéticas, recomenda-se a aplicação de uma tinta branca em formato de spray sobre a superfície da peça, realizando o efeito de contraste. 107 CAPÍTULO 4 Ensaio ultrassônico de materiais O som é uma propagação mecânica que ocorre por meio de dois sentidos de vibração (ondas latitudinais e longitudinais). Esta vibração é transmitida ao ar e levada, na forma de ondas sonoras, até a fonte receptora, ou seja, o som pode se propagar e ser percebido em todas as direções. Um som qualquer tem a sua origem a partir da vibração de um material e pode ter frequência abaixo de 20 Hz (infrassom) ou frequência acima de 20Hz (ultrassom). A velocidade da propagação do som depende do meio condutor, do sentido de vibração e do tipo de material, conforme pode ser evidenciado no quadro 11 . Quadro 11 . Velocidade de propagação do som. Material Velocidade (m/s) Onda longitudinal Onda transversal Alumínio 6300 3100 Chumbo 2160 700 Aço 5900 3250 Ferro fundido 3500 a 5600 2200 a 3200 Latão 3830 2050 Vidro 5570 3520 Acrílico 2730 1430 Fonte: adaptado de Warden, 2005. Para a realização de um ensaio não destrutivo ultrassônico, é necessário produzir-se ondas sonoras. Para isso, é comum a utilização de titanato de bário, sulfato de lítio e o quartzo, materiais que são classificados como cristais piezelétricos. Por pesquisas realizadas em 1880, Jacques Curie e Pierre Curie identificaram o efeito piezelétrico de alguns materiais estudados, como a geração de cargas elétricas na superfície do material em materiais cortados em lâminas e submetidos a cargas mecânicas. 108 UNIDADE III │ ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS Figura 36. Efeito piezelétrico Peso Cargas elétricas Cristal piezelétrico Fonte: adaptado de Garcia, 2000. Após aprimoramentos desta pesquisa, Gabriel Lippmann (1921) descobriu que a função inversa da identificação realizada pelos irmãos Curie também era aplicável. Ou seja, por meio de um experimento de aplicação de cargas elétricas na superfície de cristais piezelétricos foi possível identificar deformações no cristal submetido ao experimento. Identificou-se também, ao aplicar uma corrente elétrica alternada na superfície do material, que ocorria uma vibração do cristal na mesma frequência da corrente. Figura 37. Vibração de um cristal. Cristal piezelétrico Corrente elétrica V ol um e Fonte: adaptado de Garcia, 2000. Estes princípios supracitados são utilizados no processo de ensaio não destrutivo por método ultrassônico, ao aplicar uma corrente alternada em um cristal piezelétrico, ocorrerá uma vibração mecânica na mesma frequência da corrente aplicada, gerando assim o ultrassom. 109 ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS │ UNIDADE III Figura 38. Efeito ultrassom. Cristal piezelétrico Corrente elétrica V ib ra çã o Fonte: adaptado de Garcia, 2000. O ensaio não destrutivo ultrassônico de materiais é muito utilizado no âmbito industrial e tem como objetivo a detecção de descontinuidades em todo o corpo ou volume de um material, seja em metais ferrosos ou não ferrosos ou em materiais não metais. Para realizar o ensaio ultrassônico é necessário o uso de um transdutor, que emite o ultrassom e o faz percorrer o material que está sendo submetido ao ensaio. Desta forma, é possível verificar os ecos que são recebidos de volta por meio de um transdutor, que pode ser o mesmo ou até outra unidade. Figura 39. Esquema de um equipamento ultrassom. Equipamento ultrassom Cabeçote ou transdutor Superfície 1 Superfície 2 Superfície 3 Peso Fonte: adaptado de Garcia, 2000. Transdutor é um dispositivo que converte um determinado tipo de energia em outro. Conhecemos, por exemplo, transdutores de entrada (microfone) e de saída (alto-falantes). Os transdutores são fundamentais nos ensaios não destrutivo ultrassônicos é o dispositivo necessário para converter a energia elétrica em energia mecânica de vibração (e também o oposto). 110 UNIDADE III │ ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS Existe uma enorme variedade de transdutores disponíveis para atender a diversas aplicações, principalmente dentro e um ensaio não destrutivo por método ultrassônico. Os transdutores podem ser divididos em categorias: » Pelo ângulo de emissão/recepção do ultrassom podendo ser subdivido em: › Normais: emitem e/ ou recebem o ultrassom de maneira perpendicular à sua superfície. Figura 40. Transdutor normal. Carcaça Amortecedor Conector coaxial Cistal piezelétrico Elemento de proteção Fonte: adaptado de Garcia, 2000. › Angulares: emitem e/ou recebem o ultrassom de maneira obliqua à sua superfície. Figura 41. Transdutor angular. Carcaça Conector coaxial Amortecedor Cistal piezelétrico Elemento de inclinação Fonte: adaptado de Garcia, 2000. » Pela função, podendo ser subdivido em: › Monocristal: o transdutor é de apenas uma via, ou seja, só pode exercer a função de emissor ou de receptor, por meio de dispositivos 111 ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS │ UNIDADE III separados, sendo que o transdutor receptor deve sempre trabalhar junto de outro transdutor emissor. Existem casos também que um mesmo cristal pode ser usado tanto para a emissão do som como para a recepção do dele mesmo. › Duplo cristal: o transdutor é de via dupla, ou seja, pode exercer a função de emissor e receptor por meio do mesmo dispositivo, ou seja, o mesmo transdutor é provido de um cristal totalmente dedicado para a emissão do ultrassom e de outro cristal totalmente dedicado para a recepção do ultrassom. Figura 42. Transdutor normal de duplo cristal. Conectores coaxiais Amotecedores Cristais piezelétricos Elemento acústico Fonte: adaptado de Garcia, 2000. Os transdutores apresentam elementos com as seguintes características: » Tamanho do cristal piezelétrico: os transdutores mais utilizados possuem um tamanho entre 5 a 25 mm de diâmetro. Os cristais mais utilizados são no formato retangular. » Frequência: existem uma variedade de transdutores com frequência variando de 0,5 a 25 MHz. Os transdutores mais utilizados apresentam frequência de 16 MHz. » Amortecimento mecânico: o amortecedor minimiza todas as vibrações do cristal no transdutor. » Face protetora: são elementos que fazem contato com a peça. É muito comum a utilização de películas de plástico para essa característica. » Carcaça: é a parte externa do transdutor, capaz de acomodar todo o conjunto interno e protegê-lo, além de propiciar um melhor manuseio externo. 112 UNIDADE III │ ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS » Elementos Elétricos: são os contatos elétricos que fazem a ligação do cristal piezelétrico com o engate do cabo axial e com a bobina geradora de frequência. O método de ensaio não destrutivo por método ultrassônico é realizado por meio do contato do transdutor com a peça. É imprescindível o uso de um acoplante, que tem a função de fazer a ligação do transdutor para a peça com o mínimo de interferência possível. Os acoplantes utilizados são água, óleo, graxa, glicerina etc. Os ensaios não destrutivos por métodos ultrassônicos podem ser realizados e classificados de acordo com os seguintes grupos: » Ensaio ultrassônico por imersão: a peça e o transdutor são submersos em um líquido, resultando em um acoplamento perfeito. Geralmente é necessário a construção de dispositivos customizados para a realização deste tipo de ensaio. Figura 43. Ensaio ultrassônico por imersão. Peça Água Transdutor Fonte: adaptado de Garcia, 2000. » Ensaio por contato direto: uma pequena quantidade de líquido acoplante é colocado na peça, geralmente por meio de pinceis, formando assim uma película entre a superfície da peça e o transdutor. Figura 44. Ensaio ultrassônico por contato direto. Transdutor Acoplante Superfície da peça Fonte: adaptado de Garcia, 2000. 113 UNIDADE IV MÉTODOS ESPECIAISDE ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS CAPÍTULO 1 Tipos de ensaio e normatização Os métodos especiais de ensaios não destrutivos são ensaios utilizados na inspeção de materiais e/ou máquinas e equipamentos, sem que exista a destruição ou qualquer outro dano contra eles. É uma técnica muito aplicada também em monitoramento de matérias e no controle de qualidade, bem como na redução de custos e também para estudos de confiabilidade dos equipamentos industriais de diversos segmentos na indústria. Os métodos especiais de ensaios não destrutivo são compostos de métodos capazes de identificar o grau de defeitos de um determinado produto, bem como as características tecnológicas e de composição química dos materiais ensaiados, sendo aplicado desde a matéria-prima bruta até em estudos de degradação em componentes equipamentos. Os ensaios não destrutivos têm a capacidade de detectar diversas propriedades em diferentes regiões de uma determinada peça ou de um determinado material. Isso faz com que o método de ensaio não destrutivo possa ser implementado em sequência simultânea. Os métodos especiais de ensaios não destrutivos possuem cinco requisitos como características, a saber: » a escolha de uma fonte adequada para proporcionar uma inspeção específica ao produto, peça ou material que será ensaiado (radiação eletromagnética e som); » a variação da peça ou material inspecionado no processo de ensaio em função das descontinuidades, defeitos e falhas presentes no sólido e também de prováveis alterações nas propriedades verificadas; 114 UNIDADE IV │ MÉTODOS ESPECIAIS DE ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS » um dispositivo que seja capaz de detectar as alterações/modificações presentes em uma peça e/ou material; » o registro dos dados e das variáveis apresentada por este dispositivo detector; » análise dos dados e das variáveis coletadas no processo de inspeção; » ter a disponibilidade de equipamentos e também de mão de obra treinada e especializada para assegurar que as interpretações dos requisitos e das propriedades estabelecidas sejam verificadas e detectadas, bem como a presença de descontinuidades, defeitos e falhas, além de suas respectivas posições e localizações em um determinado sólido e seus tamanhos dimensionais. O objetivo essencial de um método especial de ensaio não destrutivo é obter dados e informações de maneiras quantitativa e qualitativa referente as descontinuidades, defeitos e falhas identificados em um processo de inspeção como, por exemplo, bolhas, porosidades, corrosões, trinca, entre outros. De forma geral, é comum que uma descontinuidade, defeito ou falha tenha sua origem com dimensões pequenas e/ou reduzidas, muitas vezes provenientes da aplicação de cargas ou esforços mecânicos externos. Esse fator pode gerar uma evolução no tamanho da descontinuidade, defeito ou falhas e potencializá-los, caso os mesmos não sejam identificados ou detectados de maneira prévia e/ou preventiva. Um operador ou inspetor de ensaios não destrutivos com métodos especiais deve possuir habilidade e experiência na execução da atividade, o que são fatores fundamentais na identificação da quantidade de descontinuidades, defeitos ou falhas nas peças ou materiais, bem como suas posições no sólido. Outro fator fundamental em um ensaio não destrutivo é a habilidade de interpretação e da compreensão dos fenômenos físicos que são inerentes ao processo. A avaliação dos resultados obtidos em um ensaio não destrutivo com métodos especiais pode ser realizada e registrada por meio de uma análise de probabilidade e estatística. As indústrias que utilizam esses dados para definir os parâmetros na definição da técnica aplicada apresentam melhores desempenhos e melhores índices de detecção, bem como melhor definição de desempenho dos matérias ou peças ensaiadas. A execução de ensaios não destrutivos deve ser planejada e estabelecida durante toda a vida útil de uma peça ou de um componente que apresenta fatores críticos de funcionamento, de modo a evitar possíveis acidentes e transtornos com paradas de máquinas/equipamentos e também custos com manutenções corretivas. 115 MÉTODOS ESPECIAIS DE ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS │ UNIDADE IV Os tipos de ensaio não destrutivos que estudaremos a seguir são: » ensaio baseado na Ressonância Magnética Nuclear; » ensaio pela alteração do campo magnético; » ensaio por perturbação da corrente elétrica. 116 CAPÍTULO 2 Ensaio baseado na ressonância magnética nuclear O ensaio não destrutivo realizado por meio da ressonância magnética nuclear é uma técnica analítica que pode ser aplicada em diversos segmentos industriais. Com o passar dos anos e com o desenvolvimento e aprimoramento e técnicas industriais, a ressonância magnética nuclear tornou-se uma ferramenta importante na análise quantitativa e qualitativa de produtor que obtém misturas de materiais mais complexas. O ensaio não destrutivo realizado por meio da Ressonância Magnética Nuclear é realizado com o objetivo de imagens de estrutura de um corpo, pois possui um alto poder para a determinação de uma estrutura orgânica. A ressonância magnética nuclear pode ser utilizada para identificar a estrutura carbono-hidrogênio de compostos orgânicos, tendo como principal característica a grande resolução para materiais com tecidos moles e a utilização de radiações que não resultam em lesões para os tecidos biológicos. Um processo de ressonância magnética nuclear é baseado na absorção de reação eletromagnética, que ocorre quando os átomos imersos em um campo eletromagnético são expostos a um segundo campo magnético, só que mais oscilante. Um processo de ensaio por Ressonância Magnética Nuclear é obtido por meio da submissão de um feixe molecular de hidrogênio, em alto vácuo, a um campo magnético não homogêneo, em conjunto com uma radiação na faixa das radio frequências, que interferem diretamente no campo magnético. Para um determinado valor de frequência, o feixe absorve energia e sofre pequenos desvios, constatados por uma queda de intensidade observada do feixe na região do detector. A ressonância magnética nuclear é utilizada para identificações estruturais de compostos orgânicos e biomoléculas, podendo também ser aplicado em alguns compostos inorgânicos. Esta técnica baseia-se no fato de que os núcleos atômicos possuem uma propriedade inerente ao material, denominada spin nuclear. Núcleos que apresentam número atômico ímpar ou número de massa ímpar apresentam o spin nuclear, sendo a carga de um número spin gera um campo 117 MÉTODOS ESPECIAIS DE ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS │ UNIDADE IV magnético. O campo magnético deste núcleo pode se alinhar com o campo externo ou também se alinhar contra esse campo. Em outras palavras, a ressonância magnética nuclear estuda os núcleos com número ímpar de prótons (¹H, 15N, 19F, 31P) ou nêutrons (13C) que apresentam propriedades magnéticas. O spin nuclear é afetado por campos magnéticos. Ou seja, a ressonância magnética nuclear acontece quando núcleos alinhados com um campo aplicado é induzido a absorver energia e a mudar a orientação do spin em relação ao sem campo aplicado. Figura 45. Spin nuclear e campos magnéticos. E ne rg ia Estado do spin Estado spin C am po m ag né tic o ap lic ad o Fonte: adaptado de Nondestructive Testing Handbook, 1996. A diferença de energia observada entre dois estados de spin depende da força do campo magnético. Figura 46. Spin com campo magnético aplicado. 600 MHz 300 MHz 14.092 7.046 Campo magnético aplicado E ne rg ia Fonte: adaptado de Nondestructive Testing Handbook, 1996. Uma imagem obtida por meio da Ressonância Magnética Nuclear tem como base o registro da localização espacial da densidade de núcleos atômicos existentes em diversos ou específicos pontos da amostra estudada. 118 UNIDADE IV │ MÉTODOS ESPECIAIS DE ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS Para a obtenção de uma imagem por ressonância magnética nuclear, é preciso identificaras propriedades do material ensaiado. Para isso, é necessário focar na propriedade específica da estrutura que é desejado obter a fotografia ou no registro de uma de suas propriedades em função da sua posição no espaço. Nos ensaios não destrutivos realizados por meio da ressonância magnética nuclear, a propriedade mais importante é a manifestação magnética dos spins nucleares organizados, pois os spins são orientados e organizados de acordo com o campo magnético externo. Para que um determinado objeto seja visualizado por meio da ressonância magnética nuclear, é necessário que haja contraste entre o objeto e o meio que o cerca, de modo a diferenciar o que é o objeto de ensaio e no qual ele está, facilitando assim a detecção pelo contraste. Na imagem por ressonância magnética nuclear, o contraste é dado pela relação entre as intensidades do componente magnético transversal do objeto e intensidades do componente magnético transversal daquilo que está à sua volta. A ressonância magnética nuclear consiste em métodos simples, tendo preparações fáceis de se comprovar e validar. As principais aplicações de um ensaio não destrutivo por ressonância magnética nucleares são: » evidenciar a estrutura de moléculas; » identificar fórmulas dos produtos, bem como os componentes individuais dos iguais; » identificar impurezas; » identificar componentes desconhecidos; » quantificar os componentes de uma amostra; » controlar a qualidade de produtos químicos; » identificar materiais contidos na composição de um produto. As principais aplicações de um ensaio não destrutivo por ressonância magnética são: » verificar a quantidade de uma determinada substância contida em sua composição química; » verificar a quantidade de componentes ativos, excipientes e impurezas; » identificar solventes residuais; 119 MÉTODOS ESPECIAIS DE ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS │ UNIDADE IV » verificação da estrutura molecular do material; » identificar a identidade de substâncias impuras em um material; » auxiliar no desenvolvimento de novos tipos de solda e/ou consumíveis de solda. As principais vantagens de se adotar um ensaio não destrutivo por ressonância magnética nuclear são: » possibilidade de analisar amostras de construção complexas sem a utilização de padrões, sejam eles padrões externos ou padrões de referência; » independente da natureza química da molécula, os prótons contidos no material são identificados com a mesma sensibilidade. Esse fator contribui para que os fatores de resposta correspondentes sejam evitados; » graças a relação linear entre o conteúdo dos materiais e as ressonâncias integradas de componentes individuais, é possível quantificar amostras mais complexas em um ensaio sem a necessidade de separações anteriores. 120 CAPÍTULO 3 Ensaio pela alteração de campo magnético O ensaio por alteração do campo magnético é um ensaio que baseia-se na variação da impedância elétrica de uma bobina, por meio de imã corrente alternada que percorre toda a extensão da bobina, criando desta forma um campo magnético primário. O material da bobina, ao se aproximar do campo magnético primário, sofre a indução de uma corrente secundária, criando, desta forma, o campo magnético secundário, cujo vai se opor ao campo magnético primário, resultando no aumento da impedância por meio do aumento da resistência. O ensaio não destrutivo pela alteração de campo magnético consiste em, ao identificar um defeito no material condutor, na criação de um obstáculo à corrente secundária, de modo a diminuir o campo magnético secundário e reduzir a sua oposição ao campo magnético primário. Tal alteração resulta na impedância elétrica da bobina, por meio da diminuição da resistência elétrica. A impedância é a medida da capacidade de resposta de um circuito elétrico percorrido por uma corrente alternada. A magnitude da impedância é obtida por meio da raiz quadrada da soma dos quadrados da resistência e da resistência associada ao circuito. Em outras palavras, pode-se dizer que a impedância é a resistência que um determinado circuito elétrico provoca à passagem de uma corrente em circuitos percorridos por corrente alternada. A medição da alteração da impedância torna possível o controle da condutividade elétrica, da permeabilidade magnética, das variações estruturais, dos defeitos do material, das corrosões do material etc. Existem alguns métodos de ensaio não destrutivo por meio da alteração de campo magnético: » Distância ao condutor: é classificada como uma das principais limitações para a detecção de defeitos em ensaios não destrutivos por meio da alteração do campo magnético, pois tem um efeito que é caracterizado pelas variações da impedância elétrica, que são detectadas por sondas. A variação desta impedância pode ser superior a variação provocada pela 121 MÉTODOS ESPECIAIS DE ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS │ UNIDADE IV existência do defeito, tornando a detecção e identificação do defeito mais limitada, visto que as alterações provocadas pelo defeito são absorvidas pelo ruído da variação da impedância elétrica. Uma solução prática para esta característica é alterar os parâmetros de inspeção, para que assim exista a separação entre a curva da impedância elétrica e a curva da condutividade elétrica, facilitando na identificação do ruído que é proveniente do defeito. » Efeito de pele: tem como principal característica a não distribuição uniforme das correntes induzidas pela secção da peça. A corrente induzida é facilmente verificada mais alta na superfície do material e vai diminuindo gradativamente conforme percorre o material e a sua profundidade vai aumentando. Devido a essa característica do processo, este método é mais adequado quando se deseja detectar defeitos superfícies em um determinado material. » Permeabilidade magnética: é a capacidade que se tem de criar um campo magnético em um determinado material. Quanto maior for a permeabilidade magnética, maior será a facilidade de induzir um campo magnético. A permeabilidade magnética em materiais ferrosos é μ > 1. Já nos materiais não ferrosos, a permeabilidade magnética é μ aproximadamente 1. Essa diferença resulta em linhas da curva de variação da impedância a assumir trajetórias diferentes para cada tipo de material e defeito. » Efeito de bordô: é um efeito que tem como característica a distorção das correntes induzidas no momento em que a sonda de aproxima da extremidade da peça a ser ensaiada. Este fenômeno pode ocultar defeitos existentes no material, pois essas distorções podem gerar sinais de grande amplitude, muitas vezes maiores do que as amplitudes dos defeitos do material. Devido a este efeito, e também por norma de ensaio, não é recomendável que se submeta aos ensaios peças com a distância da sonda a menos de 3,5 mm da extremidade da peça. 122 CAPÍTULO 4 Ensaio por perturbação da corrente elétrica O ensaio não destrutivo por meio da perturbação da corrente elétrica tem como base a indução eletromagnética por pequenas correntes elétricas em um material condutor de eletricidade, na qual corrente elétrica é definida de acordo com o movimento dos elétrons mediante a um condutor, podendo observar alterações nos efeitos do campo magnético causados por essa corrente. O ensaio não destrutivo por perturbação da corrente elétrica ocorre por meio da indução eletromagnética com o objetivo de induzir correntes parasitas em uma determinada peça, sendo dentro de uma ou mais bobinas de indução, podendo também ocorrer em suas extremidades. Esse processo de indução gera um aquecimento, resultante das perdas que são produzidas pelo fluxo de correntes parasitas na peça. O ensaio não destrutivo por perturbação da corrente elétrica é aplicado em situações que se deseja identificar falhas ou descontinuidades em matérias ferrosos e não ferrosos, além de identificar características físicas dos materiais ensaiados: » medir a espessura de camada do material; »medir a condutividade elétrica; » medir a permeabilidade magnética; » identificar a composição química do material; » medir a dureza do material; » identificar a microestrutura do material; » identificar e avaliar tratamento térmico. O método do ensaio não destrutivo por perturbação da corrente elétrica consiste me dispor a peça a ser ensaiada no interior de uma bobina ou em contato com uma sonda, por circular uma corrente alternada, também chamada de corrente de excitação. Um campo magnético é gerado na proximidade das bobinas. Este campo magnético induz um fluxo de correntes parasitas na peça ensaiada. As variações nas características do material que está submetido ao ensaio fazem com que o fluxo de correntes parasitas apresente variações, resultando na variação da impedância e da tensão induzida na bobina. 123 MÉTODOS ESPECIAIS DE ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS │ UNIDADE IV Figura 47. Correntes parasitas produzidas por uma bobina superficial. Corrente alternada Descontinuiade Fonte: adaptado de Nondestructive Testing Handbook, 2007. A corrente alternada na superfície do material facilita a detecção de descontinuidades pois, ao encontrar uma descontinuidade no material, o fluxo da corrente é interrompido, evidenciando que exista uma falha ou uma descontinuidade naquela região da peça. Descontinuidades ou falhas paralelas ao curso da corrente elétrica não podem ser detectados, pois não causam a interrupção da corrente. Figura 48. Sentido das descontinuidades detectadas. Trinca não detectada (Trinca paralela) Trinca detectada Fonte: adaptado de GE, 2009. A realização de um ensaio não destrutivo por meio da perturbação da corrente elétrica apresenta as seguintes vantagens: 124 UNIDADE IV │ MÉTODOS ESPECIAIS DE ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS » possui ótimas sensibilidade na detecção de falhas e descontinuidades superficiais; » é possível obter resultados imediatos destas falhas e descontinuidades; » o contato direto entre a sonda e a peça a ser ensaiada não é necessário; » não há necessidade de insumos ou materiais de consumo; » apresenta elevado grau de automação, resultando em ensaios rápidos e eficazes; » não há necessidade de uma preparação superficial rigorosa do material; » não é necessário remover camadas de tinta, caso o material seja pintado. Apesar das vantagens supracitadas, o ensaio não destrutivo por perturbação elétrica apresenta também algumas desvantagens: » o ensaio só pode ser submetido em materiais que são condutores elétricos; » o resultado obtido, na maioria das vezes, é qualitativo. Ou seja, obter um resultado quantitativo é mais difícil; » o investimento em equipamentos para a realização do ensaio é elevado; » é preciso grande habilidade do operador na execução do ensaio. 125 CAPÍTULO 5 Estudos de caso e artigos sobre processos de corte térmico e ensaios destrutivos e não destrutivos Caso 1: comparação de características do processo de corte a plasma com o oxicorte Angeli (2011) propõe um estudo de caso comparativo entre os processos de corte a plasma com o oxicorte. O objetivo deste estudo de caso é evidencias as diferentes características operacionais e métodos adotados para a realização da atividade de corte. Após análise nos processes de corte a plasma e de oxicorte, um estudo comparativo foi elaborado com o objetivo de identificar qual é o melhor método para o corte de chapas de ½’’ de espessura. Por meio da análise das variáveis entre os dois processos, tornou-se possível estabelecer alguns parâmetros que permitissem a comparação entre os métodos de corte a plasma e oxicorte e assim, encontrar um resultado aceitável sobre o melhor método a ser adotado para o corte desejado. Os parâmetros escolhidos por Angeli (2011) foram: » Custo direto do processo: foi considerado o tempo do processo de corte, o custo dos consumíveis utilizados e também a perca de matéria-prima (retalhos e refugos); » Custo indireto do processo: foi considerado o acabamento superficial, a facilidade na remoção de resíduos e a facilidade de operação do processo. Os dados comparativos são apresentados a seguir: Quadro 12 . Dados comparativos entre os processos de corte a plasma e oxicorte. Dados Corte a Plasma Oxi-corte Tempo de aquecimento 1 segundo 15 segundos Tempo de perfuração 1 segundo 1 segundo Velocidade do corte 800 mm/minuto 400 mm/minuto Custo consumíveis R$ 26,23 R$ 29,77 Perda de matéria-prima R$ 56,42 R$ 52,30 Custo da Operação R$ 17,21 R$ 43,22 Custo total R$ 99,96 R$ 125,29 Fonte: adaptado de Angeli, 2011. 126 UNIDADE IV │ MÉTODOS ESPECIAIS DE ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS Conforme os dados comparativos apresentados, o corte a plasma apresenta vantagens comparado ao oxicorte, seguindo a espessura da chapa, considerando os parâmetros pré-estabelecidos e utilizando as máquinas disponíveis no estudo de caso de Angeli (2011). Os principais pontos a se destacar são: » a velocidade de corte do corte a plasma é o dobro do oxicorte; » a deformação das peças submetidas ao corte a plasma foi de 0,2 mm, contra 1,0 mm do oxicorte; » as peças cortadas com oxicorte apresentaram maior produção de resíduos, tendo que acrescentar uma etapa de remoção de rebarbas após o corte, contra o corte a plasma que apresentou baixo grau de resíduo e com remoção de rebarbas mais simples; » o custo do processo de corte a plasma se mostrou cerca de 20 % mais barato que o processo de oxicorte. Caso 2: avaliação do comportamento do aço SAE 4140 submetido a ensaios mecânicos Turatti (2017) propõe um estudo de caso para avaliar o comportamento do aço SAE 4140 submetido aos diversos ensaios destrutivos. O aço SAE 4140 é um material muito comum na indústria utilizado para a fabricação de componentes mecânicos, pois possui uma boa resistência mecânica e apresenta um custo relativamente baixo. Para tal, foram confeccionados diversos corpos de prova, sendo que cada um dele será submetido a um ensaio destrutivo diferente, a saber: » ensaio de dureza; » ensaio de tração; » ensaio de impacto Charpy; » analise de falha por fadiga. Após a realização dos ensaios destrutivos, cada corpo e prova foi submetido a uma análise de falha por fadiga. O aspecto visual das fraturas dos corpos de prova foram analisados, por meio de um microscópio modelo AM4013 MT da marca DINO-LITE. 127 MÉTODOS ESPECIAIS DE ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS │ UNIDADE IV Figura 49. Microscópio manual. Fonte: Turatti, 2017. Na análise microscópica foi possível evidenciar as fraturas presente no material, conforme a figura a seguir. Figura 50. Ruptura obtida por microscópio manual. Fonte: Turatti, 2017. Os resultados obtidos podem ser visualizados no quadro: Quadro 13 . Resultados de testes destrutivos para o aço SAE 4140. Condições Temperatura (25 ºC) Classificação ReferênciaNormalizado e recozido Valores médios Ensaio de dureza 27,7 HRc Atende 26 a 42 HRc Ensaio de tração 933,748 Mpa Atende 862 Mpa (Arcelormittal) 758 Mpa (Gerdau) Ensaio de impacto Charpy 18,5 J Não atende 23 J (normalizado) 54 J (recozido) Fonte: adaptado de Turatti, 2017. De acordo com Turatti (2017), por realização dos ensaios destrutivos no aço SAE 4140 foi possível simular situações reais que os componentes fabricados com este material sofreriam no dia a dia. 128 UNIDADE IV │ MÉTODOS ESPECIAIS DE ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS Segundo o autor do estudo de caso, os resultados obtidos são valores consistentes e estão situados dentro dos limites aceitáveis. Turatti (2017) ainda descreve que, por se tratar de testes experimentais, alguns fatores ou parâmetros podem ter afetado os resultados das medições como, por exemplo, não linearidades, incertezas dos equipamentos utilizados, falhas operacionais, incertezas sistemáticas aleatórias etc. Caso 3: estudo de um critério de modo de falha para solda a ponto por resistência Ruiz e Batalha (2004) propõem um estudo de caso de um critério de modo de falha para a solda ponto por resistência,e como parte da análise utilizam o método de ensaio não destrutivo ultrassônico de maneira qualitativa. Diversas peças soldadas foram submetidas ao ensaio destrutivo ultrassônicos. Os resultados podem ser visualizados a seguir. Quadro 14 .Relação de causa e efeito para as falhas de solda identificadas. Modo de Falha Causas Efeitos Endentação profunda do eletrodo Montagem incorreta dos eletrodos; Falta de controle da força; Geração excessiva de calor. Perda da resistência da solda; Baixa qualidade de aparência. Fusão superficial Sujeira no metal; Baixa força nos eletrodos; Alta corrente de solda; Montagem incorreta de eletrodos; Sequência imprópria de corrente e de pressão. Soldas pequenas, devido à expulsão do metal fundido; Cavidade na região da solda; Remoção de rebarbas; Baixa vida dos eletrodos; Perca de produção devido a troca rápida de eletrodos. Solda com formato irregular Desalinhamento; Montagem incorreta dos eletrodos; Mau contato entre as chapas. Baixa resistência da solda. Depósito de eletrodos na peça Sujeira no material; Alta corrente de solda; Baixa força no eletrodo; Material impróprio do eletrodo. Baixa qualidade de aparência; Diminuição da resistência à corrosão; Diminuição da resistência de solda; Redução da vida do eletrodo. Trincas e cavidades profundas Remoção da força dos eletrodos antes do resfriamento da solda; Geração excessiva de calor, expulsando metais fundidos Redução de resistência à fadiga; Aumento de corrosão. Fonte: adaptado de Ruiz e Batalha, 2004. De acordo com Ruiz e Batalha (2004), a utilização do método de ensaio não destrutivo ultrassônico foi importante pois contribuiu para a identificação dos modos de falha, 129 MÉTODOS ESPECIAIS DE ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS │ UNIDADE IV bem como suas causas e seus efeitos. Os autores também sugerem a realização de medições em chapas de diferentes espessuras, de diferentes acabamentos e também para diferentes parâmetros de solda, com o objetivo de realizar um comparativo entre outros tipos de solda e de materiais. Os autores ainda ressaltam a importância do ensaio não destrutivo por método ultrassônico, pois é o método que contribui na detecção ne falhas e descontinuidades do material, sem que a funcionalidade seja afetada. 130 Para (Não) Finalizar Os processos de corte térmico são importantes em um ambiente fabril, visto que são processos que contribuem para a otimização das etapas de produção, obtendo-se melhores resultados em tempo de processos, em redução de custos de fabricação e em otimização na disponibilidade de equipamentos. Além disso, a escolha do processo mais adequado para o corte de um determinado material é extremamente importante, pois, dependendo da aplicação do material, alguns processos podem alterar ou não as propriedades dos materiais, afetando no resultado que se é esperado. Os processos de ensaios destrutivos e não destrutivos são atividades também muito importantes dentro da indústria. São etapas aplicadas na atividade de controle da qualidade para a fabricação de peças metálicas que proporcionam uma análise do material ensaiado em alto nível de confiabilidade. Ensaiar um determinado material permite avaliá-lo para saber se, por exemplo, um respectivo material é o mais indicado ou não para uma determinada aplicação e/ou projeto. Profissionais capacitados na área de Processos de Corte Térmicos e Ensaios Destrutivos e não Destrutivos são extremamente importantes dentro da indústria, pois são mão de obra especializadas e com alto grau de conhecimento. Para atuar neste segmento, todos os profissionais devem ser qualificados, treinados e certificados em função das técnicas e dos métodos aplicados nessas operações, além da qualidade que se é exigida e pela responsabilidade que é executar estes processos. Por se tratar de uma mão de obra técnica e especializada, e considerando também a crescente exigência das empresas do ramo industrial, a procura por profissionais capacitados neste ramo vem crescendo nos últimos anos. Portanto, além da formação e da qualificação, é importante que os profissionais desta área estejam em constantes atualizações para acompanhar as tendências de mercado e gerar inovação, de modo a desenvolver soluções eficazes, desenvolvimento de novos processos e assegurar a qualidade das operações e dos produtos envolvidos nos processos de corte térmico e de ensaio destrutivo e não destrutivo. 131 Referências ABNT NBR-6152 – Determinação das Propriedades Mecânicas à Tração de Materiais Metálicos. Associação Brasileira de Normas Técnicas, 22 p. ADTECH. 2018. Disponível em: <http://pt.machine-controller.com/>. Acesso: 26 setembro 2018. ANGELI, Luis L. P. 2011. Comparação de características do processo de corte a plasma com o oxicorte. Disponível em: <http://brasil.fumep.edu. br/~phlbiblio/10023478.pdf>. Acesso: 20 novembro 2018. ASM Handbook, Nondestructive Evaluation and Control. vol. 17, 9. ed., The Materials Information Society, 1989. BRESCIANI, E. F. Propriedades e Ensaios Industriais dos Materiais. Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. São Paulo: EDUSP, 1968. CHIAVERINI, V. Tecnologia Mecânica. 2. ed. São Paulo: MvGraw Hill, 1986. CONECTA FG. 7 razões pelas quais o Corte Plasma supera o Oxicorte. Disponível em: <http://conectafg.com.br/corte-plasma-supera-oxicorte/>. Acesso em: 25 setembro 2018. GARCIA, Amauri et al. Ensaios dos Materiais. Rio de Janeiro: LTC Editora, 2000. GE. Inspection Technologies & Sensing. Soluções em END. USA, Abril 2009. INDÚSTRIA HOJE. Processo de corte a plasma. 2013. Disponível em: <https:// www.industriahoje.com.br/processo-de-corte-a-plasma>. Acesso em: 25 setembro 2018. LEITE, Paulo G. P. Ensaios Não Destrutivos. Associação Brasileira de Metais, 8. ed. São Paulo, 1977. MARQUES, Paulo Villani et al. Soldagem Fundamentos e Tecnologia. 4. ed. Rio de Janeiro: Elsevier, 2016. MESSER CUTTING Indústria e Comércio de Equipamentos de Solda Ltda. Corte a Laser Reto. 2018. Disponível em: <https://www.messer-cs.com/pt/south-america/ processos/corte-a-laser/corte-a-laser-reto/>. Acesso em: 26 setembro 2018. 132 REFERÊNCIAS NEPOMUCENO, Lauro Xavier. Técnica de Manutenção Preditiva. Volumes 1 e 2. São Paulo: Blucher, 1989. Nondestructive Testing Handbook, Nondestructive Testing Overview, vol. 10, 2. ed., ASTM, 1996. Nondestructive Testing Handbook, Ultrasonic Testing, vol. 7, 3. ed., ASTM, 2007. TRINDADE, W. N. OXICORTE, Joinville, Consulsoldas, 2012. Disponível em: <https:// consulsoldas.blogspot.com/search/label/Processos%20de%20Corte>. Acesso em: 24 setembro 2018. SOUZA, Sérgio Augusto. Ensaios Mecânicos de Materiais Metálicos: fundamentos teóricos e práticos. 5. ed. São Paulo: Blucher, 1982. TURATTI, Ednildo. 2017. Avaliação do comportamento do aço SAE 4140 submetido a ensaios mecânicos. Disponível em: <https://www.univates.br/bdu/ bitstream/10737/1669/1/2017EdnildoTuratti.PDF>. Acesso em: 25 novembro 2018. WARDEN, James. Measuring the speed of sound without plumbing. The Physics Teacher, v. 43, p. 308, 2005. _GoBack